探路者:那些火星探测史上战功卓著的火星车!


2020-04-16 22:33 | YWYF | 来源:Sfnews

撰文 / 郑永春(中国科学院国家天文台)

2020年,是一个火星年,多颗火星探测器即将发射升空。火星车是多种高新技术的集成,也是各国深空探测竞赛的战略制高点。在火星探测历史上,曾经有三代战功卓著的火星车。

先锋官索杰娜号

科幻大片《火星救援》中,马克经由远程跋涉,找到了遗留在火星外貌上的火星车,使用火星车上的天线,他重新与地球上的事情人员取得联系并最终获救。影片中救了马克一命的那辆火星车,并非是凭空捏造出来的,而是1996年发射升空,1997年7月4日登陆的火星车——索杰娜号

索杰娜号是一辆小型火星车,仅10.6千克重。登陆火星前,它搭载在火星探路者号(Mars Pathfinder)着陆器上。登陆展开后的火星车,长65厘米,宽48厘米,高30厘米。摇臂转向架可以检测到20厘米高的岩石,如果火星车有侧翻危险,坡度感应器则会发出警报。因为个子太矮,所以从索杰娜拍到的照片中,火星上的石块看起来都很高峻。

索杰娜号的上甲板铺设了一层太阳能电池,车内安装了一套电子系统,设计寿命只有一星期。火星车有一根杆状天线,但由于功率太小,无法将信号直接发送给地球,只能通过着陆器举行转发,才气与地球通信。当它正式事情时,地面工程师会通过着陆器,传给它一系列运动指令,引导它前进。除了可以遥控驾驶,索杰娜另有一种自动驾驶模式——可以自主选择门路,我们只需告诉它提前避开某些障碍物即可。

索杰娜走的很慢,最快的时候也只有1厘米/秒,这也是勇气号、机缘号和洽奇号设计的最快速度 。而且,它也离不开着陆器,只能一直围绕着陆器事情。

由于重量限制,索杰娜的探测设备也很简朴,只在火星车后部安装了一个浅易的彩色摄像头和一台能谱仪。遇到要分析的岩石时,火星车必须掉头,让车尾的能谱仪直接接触石块,才气举行分析。

作为第一代火星车,索杰娜为今后更庞大、功效更强大的机械人火星车,继承起了“探路先锋”的重任

三代火星车的巨细对比,从小到大依次为索杰娜、机缘号和勇气号(由于结构完全相同,所以只展示其中一辆)、好奇号(NASA/JPL-Caltech)

赛马拉松的勇气号、机缘号

勇气号和机缘号是一对“双胞胎”,不仅外形长得一模一样,连携带的探测设备也完全相同。小哥俩划分于2003年6月10日和7月7日前后脚发射,2004年1月4日和1月25日先后登陆火星。

勇气号的目的地,是直径约150千米的古谢夫撞击坑。登陆后,勇气号发现,古谢夫并没有沉积物,只有火山喷发的玄武岩。机缘号的目的地,位于火星赤道以南的子午线平原。那里特别平坦,厚达数百米的灰色赤铁矿笼罩在阿拉伯台地上,看起来就像火山喷发的碎屑物质。

勇气号和机缘号之所以都选择在赤道地域登陆,一是因为那里的太阳能比力富足,可以给火星车提供富足的电能;二是因为那里阵势低洼,海拔较低,用降落伞举行减速的距离更长,效果更好。

作为第二代火星车,勇气号和机缘号各重170千克,是索杰娜号的16倍。它们的个子也要高得多,桅杆上导航相机的视场更宽,这让地球上的事情人员看它拍摄的照片,就像身临其境一般,因而能利便地操控火星车。

作为机械人“地质学家”,勇气号和机缘号的主要目的是分析火星岩石的物理特性、化学和矿物组成。火星上的沙尘暴经常席卷全球,因此,险些整个火星外貌都笼罩了一层红色的沙尘。当年,索杰娜号就被这层沙尘给蒙蔽了,它在着陆器周围走来走去,看到的物质身分都差不多。“吃一堑,长一智”,为了揭开沙尘底下的秘密,科学家给第二代火星车配备了专门清除石块外貌灰尘的不锈钢刷头,同时还配备了一个钻头。这个钻头可以在石头上打磨出一个几厘米深的圆孔,然后用光谱仪就可以分析岩石内部的身分。

更令人称道的是,作为一款低成本航天器,勇气号和机缘号当初的设计寿命只有短短的三个月(90个火星日,1个火星日比地球日约长半小时)。可是,它们的体现远远超出人们的预期:勇气号一直运行至2010年,事情了6年多,跑了7.7千米;机缘号更是一直运行至2018年(是设计寿命的59倍),事情了整整15年(约相当于8个火星年),而且,它还是宇宙“马拉松”角逐的冠军,跑了45.16千米,凌驾一个全程马拉松的长度。

核动力“航母”好奇号

好奇号属于第三代火星车,质量更重、体积更大、功效也更强大。它的外形尺寸与一辆私人轿车差不多,重约900千克,相当于勇气号或机缘号的5倍。因为太重,所以不能像前三辆火星车那样,用宁静气囊弹跳的方式登陆。为此,工程师们研发了一种全新的登陆方式——空中吊车。这种登陆方式,不仅可以把更重的设备运到火星外貌,而且相比用气囊着陆,火星车受到的打击也要小得多。

一位艺术家描绘的空中吊车下方悬挂着好奇号火星车,

准备在火星外貌着陆时的场景(NASA/JPL-Callech)

作为第一辆没有“翅膀”的火星车,好奇号接纳同位素温差发电机,通过放射性元素衰变释放的热量举行发电。由于不再受到太阳能发电的约束,好奇号着陆区的选择规模更宽。最终,它选择了机缘号和勇气号曾经想去而不敢去的盖尔撞击坑。

好奇号另有一个官方的正式名称——火星科学实验室。这是因为地球上一个普通岩矿实验室能做的通例分析任务,好奇号都能独立完成。它配备了9台科学仪器和1个情况探测包,光是相机就有3个。它能抓、能铲、能钻探,还能筛选、研磨、转移到测试盒,添加化学试剂,举行加热,丈量光谱,获得显微图像,真的就像一位及格的地质学家。

好奇号的设计寿命只有2年,但现在仍然状态良好,是唯一仍在正常运行的火星车。好奇号发现,盖尔撞击坑中曾经有过一个淡水湖,这样的中性情况显然更适合生命的繁衍;它发现了一片鹅卵石,凭据石头的巨细和圆度,科学家推测,这些鹅卵石是被水流从别处搬运过来的;它还检测到大气中含有甲烷,如果是在地球上,凭据这些数据,科学家已经可以宣布火星上有生命运动。样品分析仪在土壤中检测到多种有机物,但科学家还无法确定这些有机物的泉源。因为除了生命运动会发生有机物,另有大量的有机物会随着陨石和宇宙灰尘落到火星上。

显然,科学家还需要更多的证据,才气回覆火星上究竟有没有生命。而这,有待下一辆火星车来完成。现在,好奇号这艘核动力火星车的使命仍未终结。未来,它还会带给我们哪些激感人心的发现呢?