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“好奇”号火星科学实验室(Mars science Labomtorycuriosity)即将于11月25日从卡纳拉威尔角升空,预计在2012年8月到达火星。“好奇”号的长度约为“勇气”号火星车的两倍,重量是后者的5倍,大小与吉普车相当。“好奇”号继承了“勇气”号和“机遇”号的很多设计元素,比如都是6轮驾驶设计,都有固定在立柱上的照相机组,用于帮助任务小组确定勘察目标和前进路线等。
作为有史以来最先进的火星机器人,“好奇”号本身就是一个巨大的、可移动的科学实验室:从采集岩石或土壤样本,处理和分发样本至车载仪器进行分析,“好奇”号可以利用携带的先进探测设备进行自主研究,随后将分析数据通过火星轨道器传回地球。
着陆新技术
探测器进入、下降和着陆(entry、descent and landing,EDL)火星的时间虽然很短,但却是整个任务最危险、最重要的环节。迄今为止,世界各国已经进行过39次火星探测,在15次着陆任务中。仅有7次成功。
“好奇”号的质量和体积都比以前的探测器大得多(有效载荷850=F3g,入轨质量更是达到73000千克),因此,与以往的着陆任务相比,对“好奇”号的要求更高,系统也更复杂。“好奇”号在继承已有成熟技术的基础之上,开创性地运用了一些新技术、新方法,如进入制导、动力下降、空中吊车着陆等。
它首次采用了“阿波罗”飞船式的进入制导。穿过火星大气的时候,由飞行器自动控制,准备着陆。火星科学实验室制导技术使椭圆形着陆半径精确到约20千米,是以前探测器着陆精度的5倍。
相对于以往着陆器的气囊缓冲方案,“好奇”号采用了新颖的空中吊车(Sky Crane)着陆缓冲方案。在I临着陆前3分钟,飞行器用降落伞减速,制动火箭启动。空中吊车系统是一个火箭动力装置,它可以盘旋在着陆场上空。在75米每秒的速度下,空中吊车用15米的吊索将火星车垂直放至火星表面。当接近地表时,火星科学实验室在空中把6个轮子伸展出来进行缓冲,下降速度进一步放慢。随后“好奇”号着陆。空中吊车断开吊索,下降平台垂直上升一段时间,随后改变姿态,启动全部发动机飞离着陆点。
“好奇”号可以在坡度不超过15度、岩石高度不超过55米的复杂地形着陆。随后,它装备的车载精确装置将引导火星车前往预定着陆点。按计划,“好奇”号将降落在盖尔陨石坑中的一个5千米高地附近的层状沉积物上。这是经过5年的着陆点遴选过程后,团队的顶级科学家、工程师以及管理人员,还有行星科学共同体首选的着陆点。
核动力:持久续航
“好奇”号的设计使得它可以爬过65厘米高的障碍物,在火星上每天可以前进200米。卓越的能力当然离不开能源的持续、高效补给。“好奇”号的能源为美国能源部制造的多任务放射性同位素热电发电机(Multi-Mission Radioisotope thermoelectricGenerator,MMP, MMRTG是NASA在“海盗”1号、“海盗”2号等多个任务基础上研制的新一代放射性同位素电源。
由于太阳能的使用受到与太阳的距离及星球表面环境的限制,核动力作为替代能源在航天领域,尤其是深空探索领域被广泛使用。自1961年以来,NASA已在24个航天任务中成功使用了41个同位素热电源(即核电池)和1个空间反应堆,包括多种卫星,“阿波罗”计划的地面实验站和10个深空探测器。其中就有大名鼎鼎的“旅行者”号和“新地平线”号冥王星探测器。
此前,已有3个火星漫游者(“索杰纳”号、“勇气”号和“机遇”号)也使用同位素热源来维持仪器的热量,而“好奇”号是首个将核动力作为主要能源的火星车。MMRTG携带的4 8千克二氧化钚。通过钚238放射性衰变产生的热量发电。热转换效率为6.2%。为了防止潜在的污染可能。在热源模块的内部和模块之间,较之以往的同位素热电源增加了20%的石墨厚度。
MMRTG将为火星车上的仪器设备、机械臂、车轮、电脑和发射器提供1 10瓦的电力。在火星寒冷的夜晚,MMRTG产生的额外热量还将用来保持火星车电力和其他系统在一个合理的工作温度上。持续、稳定的电源供给让“好奇”号拥有一个火星年(687个地球日)的预计寿命甚至更长。另外,“好奇”号还安装有太阳能电池,太阳能电池有助于整个使命的完成。
10大科研仪器
2012年8月。“好奇”号将在火星登陆,开始为期两年的任务,以检测登陆地区的环境是否适合微生物生长,以及是否有生命存在过的遗迹。
“好奇”号的科研任务并非NASA一家独担。从2004年开始,NASA就开始为火星科学实验室的实验设备和研究仪器征集方案。2004年底,NASA选择了其中8个,同时也就俄罗斯和西班牙提供的设备达成了一致,最终“好奇”探测车上所要携带的仪器总数为10台。借助这些仪器,
“好奇”号能够帮助人们了解火星矿产、有机物,观察火星气象和辐射环境、钻探火星岩石。
“好奇”号携有一套取样分析设备。它将分析经过采集和机械臂传递而来的样本(包括大气样本),结合气相色谱仪、质谱仪和激光光谱仪,确定有机化合物组成的比值和火星关键元素的同位索含量,借此线索来研究火星的大气层和水的变迁过程。
与之类似的仪器还有“×射线衍射和荧光仪”。它也有调查“好奇”号机械臂传来的样本的作用,不过它的主要任务是确定火星岩石和土壤中矿物质的含量和所占的体积比。
“化学成分分析激光器”的作用是帮助人们了解火星上的化学元素。“好奇”号抵达火星表面开始工作时,“化学成分分析激光器”会向距离火星探测车7米处的目标发射激光。并利用激光诱导分解光谱技术检测被激光照射目标物质所含的化学成分或元素。
立柱照相机则用来查看机械臂收集或者处理过的样本。它能够拍摄和储存周围高清晰度、立体彩色照片和高解析度视频序列。
在“好奇”号的立柱上,还装备了“火星手持透镜成像仪”,它将拍摄火星地表岩石和土壤的极佳特写镜头,能达到对人的头发丝的拍摄精度。
“α粒子与×射线分光仪”可以测量岩石土壤所放出的。α粒子与X射线,可用以检测其化学成分。岩石与土壤同时由许多不同的元素组成,藉由了解火星地表岩石的组成,可为科学家提供有关火星地壳形成和风化作用的信息。
“辐射评估探测器”用于描绘火星表面的辐射环境状况。无论是对于人类未来移民火星,还是把火星当成避难所,都具有重要的前期考察意义。
在火星着陆前2分钟,“火星着陆成像器”将拍摄着陆点的高清视频,以此提供地理环境上的支持,帮助机载电脑做出准确判断。
“环境监测站”由西班牙教育和科学部提供,用来测量火星大气的压力、温度、湿度、风向和紫外线辐射水平。
俄罗斯航天局提供的“中子(水冰)探测仪”,通过测量火星地表下1米内氢原子的含量,来发现可能以冰的形式或者存在于矿物质中的水。
尽管“好奇”号的最终费用大大超出预算,但作为美国新十年火星探测任务的开篇之作,从科学家到普通民众,都对它抱有很大的期望。随着火星探测的不断深入,未来采样返回、载人登陆等任务还需要探测器具备精确着陆和自主障碍检测与规避能力。“好奇”号种种新的尝试和进步,对以后从火星采集岩石返回地球,为人类未来登陆火星任务提供了宝贵的经验。