【世界知识】美国“毅力”号火星车的技术看点_风闻
钢铁沧澜-2021-04-12 11:43
作者：兰顺正首发自：《世界知识》2021年第6期
北京时间2021年2月19日凌晨4点55分，美国国家航空航天局（NASA）新一代火星车“毅力”号在火星的杰泽罗陨石坑成功着陆。“毅力”号于2020年7月30日发射升空，经过六个多月飞行后抵达火星。“毅力”号由美国一名初中一年级学生命名，设计上与其前辈“好奇”号火星车几乎相同，但有不小的技术升级。得益于美国以前开展的大量火星探测工程，“毅力”号无需在近地轨道对火星地形进行长时间观测即顺利降落，其携带的新技术受到各方关注。
更为先进的降落方式
火星大气层稀薄，浓度仅相当于地球大气层的1%，这为人类探测器登陆造成巨大困难。来自气体分子的摩擦将航天器底面加热到数千度，但又需要保持足够的摩擦力来减慢航天器速度，否则仅靠降落伞难以平稳着陆。“毅力”号是NASA迄今为止建造的体积最大、质量最重、构造也最复杂的火星车，造价达27亿美元，大约3米长、2.7米宽、2.2米高，重2300磅，大小如一辆SUV汽车。要让这样的“大块头”从1.2万英里的高处降落，并在7分钟内快速刹车，无疑是个巨大挑战。
“毅力”号的着陆方式和“好奇”号在2012年8月成功登陆火星时类似，不过“毅力”号的科研团队采用了新的“距离触发”技术，该项技术会根据探测器相对于预定着陆位置的距离开伞。如果探测器有可能错过目标区，就要提前开伞；如果无法准确抵达目标区，就可能需要错后开伞。开伞后，“毅力”号的“地形相对导航”系统会打开相机拍摄地面情况，把实际“看”到的地表状况与储存在计算机中的早期探测器拍摄和绘制的火星陆地点地图进行比对。如果“毅力号”发现自己正朝着危险地表接近，可以改变方向，选择一个更加安全的区域降落，而“毅力”号在寻找安全着陆点的过程中最远可绕行600米。
在2100米处的高空，空中吊车便会带着“毅力”号火星车离开降落伞，空中吊车共有八个发动机操作减速。距离地面还有20米左右时，空中吊车放出一段约六米长的线缆，提着火星车缓慢着陆，一旦检测到火星车接触到地面，空中吊车迅速切断线缆飞向远方自行坠毁，至此完成任务。
更复杂的任务要求
“毅力”号采用了与“好奇”号同样的核动力系统，都以钚238放射性同位素释放核能作为火星车的主要动力源。目前“好奇”号已经靠核动力在火星工作了3000多个火星日，NASA计划让“毅力”号工作687个火星日，大约相当于两个地球年。在这段时间中，“毅力”号的主要任务是，在火星上寻找数十亿年前存在的微生物及生命迹象，研究火星地质和气候，进行二氧化碳制取氧气实验，等等，为人类将来探索乃至驻留火星做准备。
“毅力”号的主要具体工作包括四项：第一，寻找可居住性，发现在火星远古时期可能支持微生物生存的环境中形成的岩石（或被微生物改变的岩石），确定火星过去确实存在过能支持微生物生存的环境。第二，在那些适宜居住的环境中寻找可能存在的远古微生物迹象，特别是在能长期保存生命迹象的特殊岩石中。第三，从数十个有希望找到生物痕迹的岩石和表土目标上钻取样本，并将其存放在火星表面的具体位置。第四，测试从火星二氧化碳大气中产生氧气的能力，为未来载人登陆火星做准备。火星大气非常稀薄，且二氧化碳含量高达96%，假如能用火星大气制氧，未来的火星基地就可以自己解决呼吸问题，还可以支持更大规模的火星科考与资源开发。
其中，采集火星样品属于关键任务。预计“毅力”号将钻探39个岩壁中心，采集到的每个重约半盎司的岩石和污垢样品都将被密封在一支超洁净的雪茄大小的金属管中。据悉，NASA正与欧洲航天局合作，计划在2026年向火星发射探测器和能返回地球的无人火箭，以便取回“毅力”号保存在火星上的样品。如一切顺利，最早可在2031年把那些样本带回地球。
由于任务更为复杂，“毅力”号装备了比“好奇”号更先进、更专注于样本采集的七种仪器。200万像素的Mastcam-Z相机是一个安装在探测器桅杆上的摄像头系统，拥有两个摄像头，可拍摄全景、立体图像及视频。MEDA环境动态分析仪则类似于“气象站”，可测量风、温度、尘埃及辐射量等信息，且能预测天气。MOXIE氧气实验仪将尝试从火星大气的二氧化碳中生产氧气。名为PIXL的X射线岩石化学行星仪通过X射线测量岩石化学成分，可用来发现火星岩石和土壤中古代微生物留下的痕迹。RIMFAX地下实验雷达成像仪可检测到地表下十米乃至更深存在的水或冰。SHERLOC拉曼荧光光谱仪可利用相机、光谱仪和激光探测有机物及矿物质。SUPERCAM超级相机配备了两台激光器和四台光谱仪，能分析出七米以外铅笔尖大小目标的化学和矿物成分，将会对火星上的粉尘进行分析，以了解它们是否对人体有害。“毅力”号拥有一条2.1米长的机械臂，便于执行从岩石中提取岩芯、拍摄显微图像等任务，分析火星岩石和土壤元素成分。
“毅力”号还在腹部携带了一架名为“机智”号的无人机，该无人机重1.8公斤，由两个反向旋转的螺旋桨提供升力，通过太阳能电池板供电，旋转角速度为2400转/分钟，水平移动速度10米/秒，爬升速度3米/秒，预计每个火星日能提供90秒左右的飞行时间。“机智”号将在一个月的试验行动中开展一系列短时飞行任务，这也是人类首次在另一星球上测试地对地动力飞行。火星重力只有地球的三分之一，但是由于火星气体稀薄，“机智”号相当于在地球十万英尺的高空飞行，若获成功，有望为未来利用旋翼飞机对火星开展广泛的空中探测做出实质性探索。
更敏感的着陆点
此次“毅力”号的着陆点是位于火星赤道以北大约18度的杰泽罗陨坑。科学家历时五年，从60个候选地点中进行筛选，最终确定了杰泽罗陨坑。这个陨坑长宽分别为8公里和6.4公里，所在地区为伊西底斯平原，在35亿年前的火星远古时期可能是个巨大的湖泊。由于当时有河流注入和流出，所以在“河口”地带形成了三角洲，这样的三角洲可能保留着较多生物遗迹，地球上的情况就是如此。如果在火星上也是这样，那么微生物的遗迹就有可能在曾经的湖底或岸线的沉积物中被发现。“毅力”号在杰泽罗陨坑着陆，会有更多机会找到微生物遗迹。此外，杰泽罗陨坑地质条件多样，能为科学家提供各种不同的岩石样本，进而展现火星历史上各个时期的不同特征。
在成功着陆后，“毅力”号将在三角洲上行驶，对那里的沉积物进行探测，然后前往古陨坑湖的岸线，探测陨坑边缘的岩石。这些岩石在陨坑形成时是炽热的，科学家猜测古时候可能存在过温泉。寻找与这些古温泉有关的沉积物，将是“毅力”号寻找火星古代生命痕迹过程中的一个重要目标。