【世界知識】美國“毅力”號火星車的技術看點_風聞
钢铁沧澜-2021-04-12 11:43
作者：蘭順正首發自：《世界知識》2021年第6期
北京時間2021年2月19日凌晨4點55分，美國國家航空航天局（NASA）新一代火星車“毅力”號在火星的傑澤羅隕石坑成功着陸。“毅力”號於2020年7月30日發射升空，經過六個多月飛行後抵達火星。“毅力”號由美國一名初中一年級學生命名，設計上與其前輩“好奇”號火星車幾乎相同，但有不小的技術升級。得益於美國以前開展的大量火星探測工程，“毅力”號無需在近地軌道對火星地形進行長時間觀測即順利降落，其攜帶的新技術受到各方關注。
更為先進的降落方式
火星大氣層稀薄，濃度僅相當於地球大氣層的1%，這為人類探測器登陸造成巨大困難。來自氣體分子的摩擦將航天器底面加熱到數千度，但又需要保持足夠的摩擦力來減慢航天器速度，否則僅靠降落傘難以平穩着陸。“毅力”號是NASA迄今為止建造的體積最大、質量最重、構造也最複雜的火星車，造價達27億美元，大約3米長、2.7米寬、2.2米高，重2300磅，大小如一輛SUV汽車。要讓這樣的“大塊頭”從1.2萬英里的高處降落，並在7分鐘內快速剎車，無疑是個巨大挑戰。
“毅力”號的着陸方式和“好奇”號在2012年8月成功登陸火星時類似，不過“毅力”號的科研團隊採用了新的“距離觸發”技術，該項技術會根據探測器相對於預定着陸位置的距離開傘。如果探測器有可能錯過目標區，就要提前開傘；如果無法準確抵達目標區，就可能需要錯後開傘。開傘後，“毅力”號的“地形相對導航”系統會打開相機拍攝地面情況，把實際“看”到的地表狀況與儲存在計算機中的早期探測器拍攝和繪製的火星陸地點地圖進行比對。如果“毅力號”發現自己正朝着危險地表接近，可以改變方向，選擇一個更加安全的區域降落，而“毅力”號在尋找安全着陸點的過程中最遠可繞行600米。
在2100米處的高空，空中吊車便會帶着“毅力”號火星車離開降落傘，空中吊車共有八個發動機操作減速。距離地面還有20米左右時，空中吊車放出一段約六米長的線纜，提着火星車緩慢着陸，一旦檢測到火星車接觸到地面，空中吊車迅速切斷線纜飛向遠方自行墜毀，至此完成任務。
更復雜的任務要求
“毅力”號採用了與“好奇”號同樣的核動力系統，都以鈈238放射性同位素釋放核能作為火星車的主要動力源。目前“好奇”號已經靠核動力在火星工作了3000多個火星日，NASA計劃讓“毅力”號工作687個火星日，大約相當於兩個地球年。在這段時間中，“毅力”號的主要任務是，在火星上尋找數十億年前存在的微生物及生命跡象，研究火星地質和氣候，進行二氧化碳製取氧氣實驗，等等，為人類將來探索乃至駐留火星做準備。
“毅力”號的主要具體工作包括四項：第一，尋找可居住性，發現在火星遠古時期可能支持微生物生存的環境中形成的岩石（或被微生物改變的岩石），確定火星過去確實存在過能支持微生物生存的環境。第二，在那些適宜居住的環境中尋找可能存在的遠古微生物跡象，特別是在能長期保存生命跡象的特殊岩石中。第三，從數十個有希望找到生物痕跡的岩石和表土目標上鑽取樣本，並將其存放在火星表面的具體位置。第四，測試從火星二氧化碳大氣中產生氧氣的能力，為未來載人登陸火星做準備。火星大氣非常稀薄，且二氧化碳含量高達96%，假如能用火星大氣製氧，未來的火星基地就可以自己解決呼吸問題，還可以支持更大規模的火星科考與資源開發。
其中，採集火星樣品屬於關鍵任務。預計“毅力”號將鑽探39個巖壁中心，採集到的每個重約半盎司的岩石和污垢樣品都將被密封在一支超潔淨的雪茄大小的金屬管中。據悉，NASA正與歐洲航天局合作，計劃在2026年向火星發射探測器和能返回地球的無人火箭，以便取回“毅力”號保存在火星上的樣品。如一切順利，最早可在2031年把那些樣本帶回地球。
由於任務更為複雜，“毅力”號裝備了比“好奇”號更先進、更專注於樣本採集的七種儀器。200萬像素的Mastcam-Z相機是一個安裝在探測器桅杆上的攝像頭系統，擁有兩個攝像頭，可拍攝全景、立體圖像及視頻。MEDA環境動態分析儀則類似於“氣象站”，可測量風、温度、塵埃及輻射量等信息，且能預測天氣。MOXIE氧氣實驗儀將嘗試從火星大氣的二氧化碳中生產氧氣。名為PIXL的X射線岩石化學行星儀通過X射線測量岩石化學成分，可用來發現火星岩石和土壤中古代微生物留下的痕跡。RIMFAX地下實驗雷達成像儀可檢測到地表下十米乃至更深存在的水或冰。SHERLOC拉曼熒光光譜儀可利用相機、光譜儀和激光探測有機物及礦物質。SUPERCAM超級相機配備了兩台激光器和四台光譜儀，能分析出七米以外鉛筆尖大小目標的化學和礦物成分，將會對火星上的粉塵進行分析，以瞭解它們是否對人體有害。“毅力”號擁有一條2.1米長的機械臂，便於執行從岩石中提取巖芯、拍攝顯微圖像等任務，分析火星岩石和土壤元素成分。
“毅力”號還在腹部攜帶了一架名為“機智”號的無人機，該無人機重1.8公斤，由兩個反向旋轉的螺旋槳提供升力，通過太陽能電池板供電，旋轉角速度為2400轉/分鐘，水平移動速度10米/秒，爬升速度3米/秒，預計每個火星日能提供90秒左右的飛行時間。“機智”號將在一個月的試驗行動中開展一系列短時飛行任務，這也是人類首次在另一星球上測試地對地動力飛行。火星重力只有地球的三分之一，但是由於火星氣體稀薄，“機智”號相當於在地球十萬英尺的高空飛行，若獲成功，有望為未來利用旋翼飛機對火星開展廣泛的空中探測做出實質性探索。
更敏感的着陸點
此次“毅力”號的着陸點是位於火星赤道以北大約18度的傑澤羅隕坑。科學家歷時五年，從60個候選地點中進行篩選，最終確定了傑澤羅隕坑。這個隕坑長寬分別為8公里和6.4公里，所在地區為伊西底斯平原，在35億年前的火星遠古時期可能是個巨大的湖泊。由於當時有河流注入和流出，所以在“河口”地帶形成了三角洲，這樣的三角洲可能保留着較多生物遺蹟，地球上的情況就是如此。如果在火星上也是這樣，那麼微生物的遺蹟就有可能在曾經的湖底或岸線的沉積物中被發現。“毅力”號在傑澤羅隕坑着陸，會有更多機會找到微生物遺蹟。此外，傑澤羅隕坑地質條件多樣，能為科學家提供各種不同的岩石樣本，進而展現火星歷史上各個時期的不同特徵。
在成功着陸後，“毅力”號將在三角洲上行駛，對那裏的沉積物進行探測，然後前往古隕坑湖的岸線，探測隕坑邊緣的岩石。這些岩石在隕坑形成時是熾熱的，科學家猜測古時候可能存在過温泉。尋找與這些古温泉有關的沉積物，將是“毅力”號尋找火星古代生命痕跡過程中的一個重要目標。