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好奇号火星探测器

即好奇号火星车

好奇号火星探测器(英文名称:Mars Science Laboratory,即火星科学实验室),是美国航空航天局研制的第四台火星车,采用核动力驱动,总耗资25亿美元,是迄今为止最昂贵的火星探测项目。好奇号的主要使用就是探寻火星上的生命元素。

好奇号于2011年11月26日23时2分成功发射,并于2012年8月6日13时30分在火星表面成功着陆。

中文名称好奇号火星探测器英文名称Mars Science Laboratory
又称火星科学实验室(MSL)研制国家美国
质量750千克发射时间2011年11月26日23时2分
发射场运载工具
软着陆时间2012年8月6日13时30分动力来源核动力

好奇号名称的由来

为筹备这次全新的火星探测,美国航空航天局2009年在网络上举办为火星探测器命名征文活动,活动对象为儿童。最后来自堪萨斯州12岁华裔女孩马天琪命名的“好奇”,从9000多件参赛作品中脱颖而出。马天琪2009年6月8日首次受邀到NASA位于加州的喷气推进实验室,在火星车上写下“Curiosity”(好奇)并签名“ClaraMa、马天琪”,火星车上首次出现中文姓名。

NASA总部火星探测项目负责人戴尔回忆说,许多参赛短文都很优秀,他们综合短文内容、火星实验室负责人的推荐和公众投票3方面考量,最后选择“好奇”,因为它反映了人类的一些共同的基本特性和科学的本质。据悉,马天琪的父母均毕业于清华大学自动化控制系,上世纪90年代中期来到美国,在制造导航仪的一家公司任工程师。

第一辆采用核动力的火星车

好奇号火星车的动力是由一台多任务放射性同位素热电发生器(MMRTG)提供的,这台设备由美国能源部提供。这台发电机本质上是一块核电池,它可以将热能转化为电能。它主要包括两个组成部分:一个装填钚-238二氧化物的热源,以及一组固体热电偶,它们可以将钚-238产生的热能转化为电力。它包含4.8公斤的钚氧化物,可以提供稳定的热能用于火星车上供电,并确保好奇号能够挨过火星漫长严寒的冬季。

同位素热电发生器在过去很长一段时间内让美国宇航局得以开展太阳系的探测活动。比如飞往月球的阿波罗项目,着陆火星的海盗号项目,以及飞往太阳系边缘的先驱者和旅行者号飞船项目,尤利西斯太阳探测器伽利略号木星探测器卡西尼号土星探测器以及新视野号探测器等等,都采用了这种同位素热电发生器。

而多任务放射性同位素热电发生器则是新一代设备,专门设计用于在拥有大气层的行星体,如火星上,或者在真空的太空环境中使用。除此之外,它还采用了更加灵活的模块化设计,可以适应多种不同的任务需求,供能相对稳定。这一设备的设计目标包括确保设备的高度安全,优化功能,至少可以保证14年的供能,并在此基础上做到质量最小化。这台设备直径约64厘米,长66厘米,重量45公斤。

和这种发电机的之前几代相同,多任务放射性同位素热电发生器同样是由几层保护材料,其中灌装了钚氧化物燃料。这些保护层主要是考虑一旦发生预料之外的事故时可以防止钚燃料外泄,这一防泄漏技术之前都经受过撞击试验。万一火箭发射时出现意外,这些核燃料发生泄漏或者让任何民众暴露于核辐射中的可能性非常低。在发电机中使用的钚燃料和用于核武器中的燃料不同,前者不会发生核爆炸。并且这些核燃料都采用了特殊的陶瓷形态生产,因此不会对人体健康构成重大危害,除非它们发生破碎,成为细微的碎屑或者发生蒸发,然后被人体吸入或吞下。如果好奇号的发射发生意外,人们可能遭遇的核辐射剂量约为5—10毫雷姆,相当于大约一周内人体所受到的自然背景辐射值。一般的美国人每年回受到大约360毫雷姆来自自然界的背景辐射,如氡和宇宙射线等。

多任务放射性同位素热电发生器产生的电力用来为两块锂离子电池充电。这些电池将确保在设备运行短时间内超出发电机功率时火星车仍然可以应对此类峰值用电负荷。每块电池的容量是42安培小时,由美国雅得尼技术公司(Yardney)制造。按照设计这些电池将在每一火星日完成一次充电-放电循环。

着陆过程

火星探路者勇气号机遇号都是安放于折叠式着陆器中,着陆器外面包裹着安全气囊,采用弹跳方式着陆的。但是好奇号的重量比勇气号、机遇号加起来总重量的两倍还要大,对于这种抵达方式,它实在是过于沉重了。首先是无法发射一个大得足以保护好奇号的着陆器;其次,经受好奇号着地的冲击力时,最结实的安全气囊也会破裂。代替的办法是,好奇号需要在制动火箭系统的帮助下减速,但是最终要设法与火箭级分离,在没有外层着陆器保护的情况下,准备车轮向前滚动地滑行着地。

好奇号“空中吊车”着陆方案

图:好奇号“空中吊车”着陆方案

喷气推进实验室的工程师们设计了一种名为“空中吊车”的解决方案。一个防热罩和降落伞将会减慢好奇号的下降速度。随后它会抛掉防热罩,接着在1500米的高度上与降落伞分离,留下探测车系在下降级的底部,下降级启动8台火箭引擎,载着探测车盘旋下降。接着“空中吊车”登场了:下降级放下系绳,使探测车缓缓向地面降低,同时车轮和车底支架展开,最后车轮安全触地。好奇号切断与母船之间的系绳,下降级随后倾斜一个角度,离开探测车,向数百米外的远处迅速飞去,直到燃料耗尽坠地。

好奇号着陆过程大致如下:

1、好奇号与推进动力系统分离。随后好奇号进入舱以超高速(约6000米/s)进入火星大气层,摩擦产生巨大热量。

2、进入舱水平飞行减速,其火箭推动器点火来探测舱体落向预定着陆点。

3、进入舱到达离火星表面10千米高度时,进入舱弹出降落伞,抛掉隔热罩,打开地面传感雷达系统。

4、进入舱到达离火星表面2千米高度时,降落伞脱离,背包式火箭推进器点火,控制好奇号下降。

5、在离火星地面约20米高度时,好奇号被悬挂在三根缆绳上,车轮与悬架装置展开,好奇号着陆,着陆速度约为0.75米/秒。

6、系统在等待2秒后,确认好奇号是否降落在坚实地面上,随后引爆几个小型爆炸装置,切断缆绳和电缆,动力背包推进器飞离,在约450米外着陆。

科学探测仪器

桅杆相机(MastCam)

桅杆相机是好奇号的主要成像工具,负责拍摄火星地貌的高解析度彩色照片和视频,供科学家进行分析。桅杆相机由两个照相系统构成,安装在好奇号主车身上方的一个桅杆上。在好奇号在火星表面行进时,桅杆相机能够获得很好的视野。桅杆相机拍摄的照片将帮助任务组驱动和操控好奇号。

火星手持透镜成像仪(MAHLI)

火星手持透镜成像仪功能相当于一个超级放大镜,允许地球上的科学家更细致地观察火星上的岩石和土壤。这台仪器可以拍摄小到只有12.5微米(不及一根人发的直径)的地貌特征彩色照片。火星手持透镜成像仪安装在好奇号的5关节7英尺(约合2.1米)机械臂末端,本身就是一个工程学奇迹。形象地说,这台仪器就是科学家的一个高科技手持透镜,将对准他们希望对准的任何地方。

火星降落成像仪(MARDI)

火星降落成像仪是一台小型摄影机,安装在好奇号的主车身上,负责拍摄好奇号降落火星地面过程的影像。届时,这辆火星车将借助一个悬浮的火箭动力太空起重机完成降落。MARDI将在好奇号距离火星地表约合1.6公里或3.2公里时启动,此时的好奇号将丢弃隔热板。在好奇号触地前,这台仪器将以每秒5帧的速度拍摄影像。MARDI拍摄的录像将帮助“火星科学实验室”任务组规划好奇号的火星之旅,同时为科学家提供登陆地——直径100英里(约合160公里)的盖尔陨坑的地质信息。

火星样本分析仪(SAM)

火星样本分析仪是好奇号的心脏,重约38公斤,占到好奇号所携科学仪器总重量的一半左右。SAM由3个独立的仪器构成,分别是质谱仪、气相色谱仪和激光分光计。这些仪器负责搜寻构成生命的要素——碳化合物。此外,它们还将搜寻与地球上的生命有关的其他元素,例如氢、氧和氮。

SAM安装在好奇号主车身内。好奇号的机械臂通过车外的一个进口将样本送入SAM。所采集的一些样本将来自于岩石内部,利用机械臂末端约5厘米的钻头钻入岩石提取。这是第一个安装可提取岩石内部样本的工具登陆火星的火星车。

化学与矿物学分析仪(CheMin)

可用于确定火星上的矿物类型和数量,帮助科学家进一步了解这颗红色星球过去的环境。与SAM一样,好奇号的机械臂通过车外的一个进口将样本送入CheMin进行分析。分析时,这台仪器向样本发射X射线,根据X射线的衍射确定矿物的晶体结构。克里斯普在接受太空网采访时表示:“在我们看来,这就像是在变魔术。”X射线衍射是地球上的地质学家使用的一种重要的分析技术,从未在火星上使用过CheMin将帮助好奇号进一步了解火星矿物的特征,超过它的前辈“勇气”号和“机遇”号火星车。

化学与摄像机仪器(ChemCam)

化学与摄像机仪器可以向9米外的火星岩石发射激光,使其蒸发,而后分析蒸发的岩石成分。借助于这台仪器,好奇号可以研究机械臂无法触及的火星岩石。此外,ChemCam同样可以帮助任务组在远处确定是否应该派遣好奇号前往一个特定的地带进行探测。ChemCam由几个不同组件构成激光器安装在好奇号桅杆上,旁边是一台摄像机和一架小型望远镜。3台光谱仪安装在车身上,通过光纤与桅杆上的设备相连,负责分析蒸发的岩石样本中受激电子发出的光线。

阿尔法粒子X射线分光计(APXS)

安装在好奇号机械臂末端,负责测量火星岩石和泥土中不同化学元素的数量。届时,好奇号将让APXS与样本接触,APXS通过发射X射线和氦核进行分析。这些“弹药”能够将样本中的电子撞出轨道,进而产生X射线。根据放射出的X射线的特征能量,科学家能够确定元素的类型。“机遇”号和“勇气”号安装了早期版本的APXS,用于揭示水在影响火星地貌过程中扮演的角色。

中子反照率动态探测器(DAN)

安装在好奇号主车身背部附近,将帮助火星车寻找火星地下的冰和含水矿物质。这台仪器将向地面发射中子束,而后记录下中子束的反弹速度。氢原子往往延缓中子的速度,如果大量中子速度迟缓,便说明地下可能存在水或者冰。DAN能够发现地下2米浓度只有0.1%的水。

辐射评估探测器(RAD)

体积与一个烤面包机相当,在设计上用于帮助准备未来的火星探索任务。这台仪器负责测量和确定火星上所有类型的高能辐射,包括快速移动的质子和伽玛射线。RAD的观测数据允许科学家确定宇航员暴露在火星环境下时将受到多大剂量的辐射。此外,这一信息也有助于科学家了解辐射环境对火星生命的产生和进化构成多大障碍。

火星车环境监测站(REMS)

安装在好奇号桅杆中部,是一座火星天气监测站,负责测量大气压、湿度、风速和风向、空气温度、地面温度以及紫外辐射所有这些数据汇聚成每日和每季报告,帮助科学家详细了解火星环境。

火星科学实验室进入、降落与着陆仪(MEDLI)

并不是好奇号携带的仪器之一。这一装置内置在隔热板中,负责在好奇号穿过火星大气层过程中对其进行保护。在好奇号穿过火星大气层过程中,MEDLI也负责测量隔热板经受的温度和压力。这些信息将帮助工程师了解隔热板的状况,同时利用这些数据改进未来的火星探测器。

导航相机

好奇号在桅杆上装有两对导航用的黑白3D相机,每个有45度的视野。主要用于辅助地面控制人员规划好奇号的行动路线。

化学相机

用高能镭射在远达七米外气化分析目标,通过分析过程中发出的强光,来测定目标物的成分。

避险相机

好奇号在四个角落的较低位置各装有一对避开障碍用的黑白3D相机,每个约有120度的视野。它们主要用来防止好奇号意外撞上障碍物,并在软件的帮助下,让好奇号能够在一定程度上自主决定行走路线。

机械手臂

好奇号的机械手臂备有钻头,可钻入岩石内部采集样本,并在机身内进行化验,将分析结果及时回传地球上的NASA。

携带这些“科学武器”的好奇号相当于一个标准的野外地质学家,其能力足以令此前的任何火星着陆器相形见绌。以核燃料钚提供动力的好奇号在火星表面的连续行驶能力和机动能力都更强。美国航天局火星探测项目主任道格·麦奎斯申认为,好奇号是航天局“极为重要的旗舰项目……重要性与哈勃(太空望远镜)相当”。

科学成果

日偏食

好奇号火星车拍到的日偏食2012年9月,好奇号火星车拍摄了大量火星日偏食的照片。地球上的日食由月球在太阳和地球之间穿过形成,火星上的日食则由火星的两颗卫星所致。照片中,太阳被火卫一遮住,好像被“咬”了一口。

古河床

2012年9月27日,美国宇航局的科学家称,他们在好奇号传回的火星照片上发现,在盖尔陨石坑(Gale Crater)北部边缘和夏普山(Mount Sharp)之间有许多已经聚合成砾岩的碎石,这些碎石应该是非常湍急的河水流过时带到这里的。根据这些碎石的大小和形状,科学家估算出这条古老火星河流的流速为大约0.9米/秒,深度大概相当于人的脚踝到臀部之间的高度。一些碎石已经被磨得十分圆滑,证明它们是经过了漫长的旅程到达这里的。

不明碎片

2012年10月7日,在首次收集火星土壤样本时,好奇号火星车发现地面上存在一个尺寸很小的不明物体,好似银片或者其他某种物品的碎片。10月8日,由于发现地面上的一个明亮物体——可能是从好奇号上脱落的碎片——项目组决定不使用机械臂。好奇号拍摄了这个物体的照片,以帮助项目组进行鉴别并评估可能对样本收集带来的影响。

证明有水

好奇号火星车发现,火星表面土壤按重量算约2%是水分,这意味着每立方英尺(不到0.03立方米)的火星土壤能够获得约1升的水。美国伦斯勒理工学院和美国航天局等机构研究人员2013年9月26日在《科学》杂志上报告说,他们利用好奇号携带的样本分析仪,将其登陆火星后获得的第一铲细粒土壤加热到835摄氏度的高温,结果分解出水、二氧化碳以及含硫化合物等物质,其中水的质量约占2%。论文第一作者、伦斯勒理工学院的劳里·莱欣说,“现在知道火星上应该有丰富的、可轻易获得的水”,这是“最令人激动的结果之一”。今后如果有人登上火星,只需在火星表面铲起土壤,然后稍稍加热,就可获得水。

神秘亮光

2014年4月,好奇号探测器从火星上发回的最新照片中出现一抹神秘的亮光,引发外界热议。有人说,亮光看起来很像人造光,不排除这个红色星球上“存在智能生命的可能”。

从照片上看,这是一个很诡异的白色“亮点”。由于在周围暗灰色的背景中显得很突兀,因此有猜测称,这很可能暗示火星上存在地下智能生命形式。

不过,也有分析认为,更大的可能是照片成像过程中出现了小问题,以前有很多类似的“火星生命论”都被证实是错误的。

曾有湖泊

好奇号采集到的数据揭示了火星盖尔陨坑中心位置的夏普山的形成之谜:夏普山极有可能是数百万年前大型河床的沉积物累积、风化形成的,而这对证明火星上曾存在湖泊的假设给出了有力支持。

好奇号探测器在夏普山采集到的信息表明,火星曾在较长的时间里存在过比较温暖的气候,平均温度高于零摄氏度,这给湖泊等水循环系统的出现提供了环境。在这段时间内,盖尔陨石坑可能多次变成湖泊又多次蒸发干涸,湖泊中的沉淀物经历不断的风化,层层交替累积形成了夏普山。

发现有机物

好奇号上的一台设备探测到空气重甲烷含量的异常升高,科学家们认为甲烷的形成可能与细菌类生命体的活动有关——如果被证实,那么这将是我们首次探测到另一颗星球上的生命迹象。

好奇号火星车科学组成员,美国密歇根大学的苏希·阿特莱亚(Sushil Atreya)表示:“这种现象,即甲烷浓度出现暂时性上升,随后很快再次下降——告诉我们这里存在一个本地来源。有很多种可能性,可能是生物成因的,也可能是非生物成因的,比如水和岩石之间的相互作用。”

好奇号火星探测器
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最新更新:2015-08-07 13:00
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