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好奇號火星探測器

即好奇號火星車

好奇號火星探測器(英文名稱:Mars Science Laboratory,即火星科學實驗室),是美國航空航天局研制的第四臺火星車,采用核動力驅動,總耗資25億美元,是迄今為止最昂貴的火星探測項目。好奇號的主要使用就是探尋火星上的生命元素。

好奇號于2011年11月26日23時2分成功發射,并于2012年8月6日13時30分在火星表面成功著陸。

中文名稱好奇號火星探測器英文名稱Mars Science Laboratory
又稱火星科學實驗室(MSL)研制國家美國
質量750千克發射時間2011年11月26日23時2分
發射場運載工具
軟著陸時間2012年8月6日13時30分動力來源核動力

好奇號名稱的由來

為籌備這次全新的火星探測,美國航空航天局2009年在網絡上舉辦為火星探測器命名征文活動,活動對象為兒童。最后來自堪薩斯州12歲華裔女孩馬天琪命名的“好奇”,從9000多件參賽作品中脫穎而出。馬天琪2009年6月8日首次受邀到NASA位于加州的噴氣推進實驗室,在火星車上寫下“Curiosity”(好奇)并簽名“ClaraMa、馬天琪”,火星車上首次出現中文姓名。

NASA總部火星探測項目負責人戴爾回憶說,許多參賽短文都很優秀,他們綜合短文內容、火星實驗室負責人的推薦和公眾投票3方面考量,最后選擇“好奇”,因為它反映了人類的一些共同的基本特性和科學的本質。據悉,馬天琪的父母均畢業于清華大學自動化控制系,上世紀90年代中期來到美國,在制造導航儀的一家公司任工程師。

第一輛采用核動力的火星車

好奇號火星車的動力是由一臺多任務放射性同位素熱電發生器(MMRTG)提供的,這臺設備由美國能源部提供。這臺發電機本質上是一塊核電池,它可以將熱能轉化為電能。它主要包括兩個組成部分:一個裝填钚-238二氧化物的熱源,以及一組固體熱電偶,它們可以將钚-238產生的熱能轉化為電力。它包含4.8公斤的钚氧化物,可以提供穩定的熱能用于火星車上供電,并確保好奇號能夠挨過火星漫長嚴寒的冬季。

同位素熱電發生器在過去很長一段時間內讓美國宇航局得以開展太陽系的探測活動。比如飛往月球的阿波羅項目,著陸火星的海盜號項目,以及飛往太陽系邊緣的先驅者和旅行者號飛船項目,尤利西斯太陽探測器伽利略號木星探測器卡西尼號土星探測器以及新視野號探測器等等,都采用了這種同位素熱電發生器。

而多任務放射性同位素熱電發生器則是新一代設備,專門設計用于在擁有大氣層的行星體,如火星上,或者在真空的太空環境中使用。除此之外,它還采用了更加靈活的模塊化設計,可以適應多種不同的任務需求,供能相對穩定。這一設備的設計目標包括確保設備的高度安全,優化功能,至少可以保證14年的供能,并在此基礎上做到質量最小化。這臺設備直徑約64厘米,長66厘米,重量45公斤。

和這種發電機的之前幾代相同,多任務放射性同位素熱電發生器同樣是由幾層保護材料,其中灌裝了钚氧化物燃料。這些保護層主要是考慮一旦發生預料之外的事故時可以防止钚燃料外泄,這一防泄漏技術之前都經受過撞擊試驗。萬一火箭發射時出現意外,這些核燃料發生泄漏或者讓任何民眾暴露于核輻射中的可能性非常低。在發電機中使用的钚燃料和用于核武器中的燃料不同,前者不會發生核爆炸。并且這些核燃料都采用了特殊的陶瓷形態生產,因此不會對人體健康構成重大危害,除非它們發生破碎,成為細微的碎屑或者發生蒸發,然后被人體吸入或吞下。如果好奇號的發射發生意外,人們可能遭遇的核輻射劑量約為5—10毫雷姆,相當于大約一周內人體所受到的自然背景輻射值。一般的美國人每年回受到大約360毫雷姆來自自然界的背景輻射,如氡和宇宙射線等。

多任務放射性同位素熱電發生器產生的電力用來為兩塊鋰離子電池充電。這些電池將確保在設備運行短時間內超出發電機功率時火星車仍然可以應對此類峰值用電負荷。每塊電池的容量是42安培小時,由美國雅得尼技術公司(Yardney)制造。按照設計這些電池將在每一火星日完成一次充電-放電循環。

著陸過程

火星探路者勇氣號機遇號都是安放于折疊式著陸器中,著陸器外面包裹著安全氣囊,采用彈跳方式著陸的。但是好奇號的重量比勇氣號、機遇號加起來總重量的兩倍還要大,對于這種抵達方式,它實在是過于沉重了。首先是無法發射一個大得足以保護好奇號的著陸器;其次,經受好奇號著地的沖擊力時,最結實的安全氣囊也會破裂。代替的辦法是,好奇號需要在制動火箭系統的幫助下減速,但是最終要設法與火箭級分離,在沒有外層著陸器保護的情況下,準備車輪向前滾動地滑行著地。

好奇號“空中吊車”著陸方案

圖:好奇號“空中吊車”著陸方案

噴氣推進實驗室的工程師們設計了一種名為“空中吊車”的解決方案。一個防熱罩和降落傘將會減慢好奇號的下降速度。隨后它會拋掉防熱罩,接著在1500米的高度上與降落傘分離,留下探測車系在下降級的底部,下降級啟動8臺火箭引擎,載著探測車盤旋下降。接著“空中吊車”登場了:下降級放下系繩,使探測車緩緩向地面降低,同時車輪和車底支架展開,最后車輪安全觸地。好奇號切斷與母船之間的系繩,下降級隨后傾斜一個角度,離開探測車,向數百米外的遠處迅速飛去,直到燃料耗盡墜地。

好奇號著陸過程大致如下:

1、好奇號與推進動力系統分離。隨后好奇號進入艙以超高速(約6000米/s)進入火星大氣層,摩擦產生巨大熱量。

2、進入艙水平飛行減速,其火箭推動器點火來探測艙體落向預定著陸點。

3、進入艙到達離火星表面10千米高度時,進入艙彈出降落傘,拋掉隔熱罩,打開地面傳感雷達系統。

4、進入艙到達離火星表面2千米高度時,降落傘脫離,背包式火箭推進器點火,控制好奇號下降。

5、在離火星地面約20米高度時,好奇號被懸掛在三根纜繩上,車輪與懸架裝置展開,好奇號著陸,著陸速度約為0.75米/秒。

6、系統在等待2秒后,確認好奇號是否降落在堅實地面上,隨后引爆幾個小型爆炸裝置,切斷纜繩和電纜,動力背包推進器飛離,在約450米外著陸。

科學探測儀器

桅桿相機(MastCam)

桅桿相機是好奇號的主要成像工具,負責拍攝火星地貌的高解析度彩色照片和視頻,供科學家進行分析。桅桿相機由兩個照相系統構成,安裝在好奇號主車身上方的一個桅桿上。在好奇號在火星表面行進時,桅桿相機能夠獲得很好的視野。桅桿相機拍攝的照片將幫助任務組驅動和操控好奇號。

火星手持透鏡成像儀(MAHLI)

火星手持透鏡成像儀功能相當于一個超級放大鏡,允許地球上的科學家更細致地觀察火星上的巖石和土壤。這臺儀器可以拍攝小到只有12.5微米(不及一根人發的直徑)的地貌特征彩色照片。火星手持透鏡成像儀安裝在好奇號的5關節7英尺(約合2.1米)機械臂末端,本身就是一個工程學奇跡。形象地說,這臺儀器就是科學家的一個高科技手持透鏡,將對準他們希望對準的任何地方。

火星降落成像儀(MARDI)

火星降落成像儀是一臺小型攝影機,安裝在好奇號的主車身上,負責拍攝好奇號降落火星地面過程的影像。屆時,這輛火星車將借助一個懸浮的火箭動力太空起重機完成降落。MARDI將在好奇號距離火星地表約合1.6公里或3.2公里時啟動,此時的好奇號將丟棄隔熱板。在好奇號觸地前,這臺儀器將以每秒5幀的速度拍攝影像。MARDI拍攝的錄像將幫助“火星科學實驗室”任務組規劃好奇號的火星之旅,同時為科學家提供登陸地——直徑100英里(約合160公里)的蓋爾隕坑的地質信息。

火星樣本分析儀(SAM)

火星樣本分析儀是好奇號的心臟,重約38公斤,占到好奇號所攜科學儀器總重量的一半左右。SAM由3個獨立的儀器構成,分別是質譜儀、氣相色譜儀和激光分光計。這些儀器負責搜尋構成生命的要素——碳化合物。此外,它們還將搜尋與地球上的生命有關的其他元素,例如氫、氧和氮。

SAM安裝在好奇號主車身內。好奇號的機械臂通過車外的一個進口將樣本送入SAM。所采集的一些樣本將來自于巖石內部,利用機械臂末端約5厘米的鉆頭鉆入巖石提取。這是第一個安裝可提取巖石內部樣本的工具登陸火星的火星車。

化學與礦物學分析儀(CheMin)

可用于確定火星上的礦物類型和數量,幫助科學家進一步了解這顆紅色星球過去的環境。與SAM一樣,好奇號的機械臂通過車外的一個進口將樣本送入CheMin進行分析。分析時,這臺儀器向樣本發射X射線,根據X射線的衍射確定礦物的晶體結構。克里斯普在接受太空網采訪時表示:“在我們看來,這就像是在變魔術。”X射線衍射是地球上的地質學家使用的一種重要的分析技術,從未在火星上使用過CheMin將幫助好奇號進一步了解火星礦物的特征,超過它的前輩“勇氣”號和“機遇”號火星車。

化學與攝像機儀器(ChemCam)

化學與攝像機儀器可以向9米外的火星巖石發射激光,使其蒸發,而后分析蒸發的巖石成分。借助于這臺儀器,好奇號可以研究機械臂無法觸及的火星巖石。此外,ChemCam同樣可以幫助任務組在遠處確定是否應該派遣好奇號前往一個特定的地帶進行探測。ChemCam由幾個不同組件構成激光器安裝在好奇號桅桿上,旁邊是一臺攝像機和一架小型望遠鏡。3臺光譜儀安裝在車身上,通過光纖與桅桿上的設備相連,負責分析蒸發的巖石樣本中受激電子發出的光線。

阿爾法粒子X射線分光計(APXS)

安裝在好奇號機械臂末端,負責測量火星巖石和泥土中不同化學元素的數量。屆時,好奇號將讓APXS與樣本接觸,APXS通過發射X射線和氦核進行分析。這些“彈藥”能夠將樣本中的電子撞出軌道,進而產生X射線。根據放射出的X射線的特征能量,科學家能夠確定元素的類型。“機遇”號和“勇氣”號安裝了早期版本的APXS,用于揭示水在影響火星地貌過程中扮演的角色。

中子反照率動態探測器(DAN)

安裝在好奇號主車身背部附近,將幫助火星車尋找火星地下的冰和含水礦物質。這臺儀器將向地面發射中子束,而后記錄下中子束的反彈速度。氫原子往往延緩中子的速度,如果大量中子速度遲緩,便說明地下可能存在水或者冰。DAN能夠發現地下2米濃度只有0.1%的水。

輻射評估探測器(RAD)

體積與一個烤面包機相當,在設計上用于幫助準備未來的火星探索任務。這臺儀器負責測量和確定火星上所有類型的高能輻射,包括快速移動的質子和伽瑪射線。RAD的觀測數據允許科學家確定宇航員暴露在火星環境下時將受到多大劑量的輻射。此外,這一信息也有助于科學家了解輻射環境對火星生命的產生和進化構成多大障礙。

火星車環境監測站(REMS)

安裝在好奇號桅桿中部,是一座火星天氣監測站,負責測量大氣壓、濕度、風速和風向、空氣溫度、地面溫度以及紫外輻射所有這些數據匯聚成每日和每季報告,幫助科學家詳細了解火星環境。

火星科學實驗室進入、降落與著陸儀(MEDLI)

并不是好奇號攜帶的儀器之一。這一裝置內置在隔熱板中,負責在好奇號穿過火星大氣層過程中對其進行保護。在好奇號穿過火星大氣層過程中,MEDLI也負責測量隔熱板經受的溫度和壓力。這些信息將幫助工程師了解隔熱板的狀況,同時利用這些數據改進未來的火星探測器。

導航相機

好奇號在桅桿上裝有兩對導航用的黑白3D相機,每個有45度的視野。主要用于輔助地面控制人員規劃好奇號的行動路線。

化學相機

用高能鐳射在遠達七米外氣化分析目標,通過分析過程中發出的強光,來測定目標物的成分。

避險相機

好奇號在四個角落的較低位置各裝有一對避開障礙用的黑白3D相機,每個約有120度的視野。它們主要用來防止好奇號意外撞上障礙物,并在軟件的幫助下,讓好奇號能夠在一定程度上自主決定行走路線。

機械手臂

好奇號的機械手臂備有鉆頭,可鉆入巖石內部采集樣本,并在機身內進行化驗,將分析結果及時回傳地球上的NASA。

攜帶這些“科學武器”的好奇號相當于一個標準的野外地質學家,其能力足以令此前的任何火星著陸器相形見絀。以核燃料钚提供動力的好奇號在火星表面的連續行駛能力和機動能力都更強。美國航天局火星探測項目主任道格·麥奎斯申認為,好奇號是航天局“極為重要的旗艦項目……重要性與哈勃(太空望遠鏡)相當”。

科學成果

日偏食

好奇號火星車拍到的日偏食2012年9月,好奇號火星車拍攝了大量火星日偏食的照片。地球上的日食由月球在太陽和地球之間穿過形成,火星上的日食則由火星的兩顆衛星所致。照片中,太陽被火衛一遮住,好像被“咬”了一口。

古河床

2012年9月27日,美國宇航局的科學家稱,他們在好奇號傳回的火星照片上發現,在蓋爾隕石坑(Gale Crater)北部邊緣和夏普山(Mount Sharp)之間有許多已經聚合成礫巖的碎石,這些碎石應該是非常湍急的河水流過時帶到這里的。根據這些碎石的大小和形狀,科學家估算出這條古老火星河流的流速為大約0.9米/秒,深度大概相當于人的腳踝到臀部之間的高度。一些碎石已經被磨得十分圓滑,證明它們是經過了漫長的旅程到達這里的。

不明碎片

2012年10月7日,在首次收集火星土壤樣本時,好奇號火星車發現地面上存在一個尺寸很小的不明物體,好似銀片或者其他某種物品的碎片。10月8日,由于發現地面上的一個明亮物體——可能是從好奇號上脫落的碎片——項目組決定不使用機械臂。好奇號拍攝了這個物體的照片,以幫助項目組進行鑒別并評估可能對樣本收集帶來的影響。

證明有水

好奇號火星車發現,火星表面土壤按重量算約2%是水分,這意味著每立方英尺(不到0.03立方米)的火星土壤能夠獲得約1升的水。美國倫斯勒理工學院和美國航天局等機構研究人員2013年9月26日在《科學》雜志上報告說,他們利用好奇號攜帶的樣本分析儀,將其登陸火星后獲得的第一鏟細粒土壤加熱到835攝氏度的高溫,結果分解出水、二氧化碳以及含硫化合物等物質,其中水的質量約占2%。論文第一作者、倫斯勒理工學院的勞里·萊欣說,“現在知道火星上應該有豐富的、可輕易獲得的水”,這是“最令人激動的結果之一”。今后如果有人登上火星,只需在火星表面鏟起土壤,然后稍稍加熱,就可獲得水。

神秘亮光

2014年4月,好奇號探測器從火星上發回的最新照片中出現一抹神秘的亮光,引發外界熱議。有人說,亮光看起來很像人造光,不排除這個紅色星球上“存在智能生命的可能”。

從照片上看,這是一個很詭異的白色“亮點”。由于在周圍暗灰色的背景中顯得很突兀,因此有猜測稱,這很可能暗示火星上存在地下智能生命形式。

不過,也有分析認為,更大的可能是照片成像過程中出現了小問題,以前有很多類似的“火星生命論”都被證實是錯誤的。

曾有湖泊

好奇號采集到的數據揭示了火星蓋爾隕坑中心位置的夏普山的形成之謎:夏普山極有可能是數百萬年前大型河床的沉積物累積、風化形成的,而這對證明火星上曾存在湖泊的假設給出了有力支持。

好奇號探測器在夏普山采集到的信息表明,火星曾在較長的時間里存在過比較溫暖的氣候,平均溫度高于零攝氏度,這給湖泊等水循環系統的出現提供了環境。在這段時間內,蓋爾隕石坑可能多次變成湖泊又多次蒸發干涸,湖泊中的沉淀物經歷不斷的風化,層層交替累積形成了夏普山。

發現有機物

好奇號上的一臺設備探測到空氣重甲烷含量的異常升高,科學家們認為甲烷的形成可能與細菌類生命體的活動有關——如果被證實,那么這將是我們首次探測到另一顆星球上的生命跡象。

好奇號火星車科學組成員,美國密歇根大學的蘇希·阿特萊亞(Sushil Atreya)表示:“這種現象,即甲烷濃度出現暫時性上升,隨后很快再次下降——告訴我們這里存在一個本地來源。有很多種可能性,可能是生物成因的,也可能是非生物成因的,比如水和巖石之間的相互作用。”

好奇號火星探測器
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最新更新:2015-08-07 13:00
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