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着陆区域:美国航空航天局的科学家开发出了一种能让火星车更好地从天空着陆到火星表面的方法:“太空起重机”。

对于火星科学实验室任务,研究人员重新设计了进入EDL阶段的过程。

  激光器会向7米外的岩石发射一系列红外脉冲,百万瓦级的能量将使岩石上的小块区域汽化,产生闪光。望远镜将观测闪光并将信号发送给分光计,分光计会分析闪光的波长并据此确定岩石类型。

  8月5日,美国航空航天局的火星科学实验室将抵达火星大气的边缘。此时,这个重约3.86吨的装置已经以超过2.1万千米/小时的速度在太空中旅行了5.6亿千米,但是对它来说,真正的挑战现在才刚刚开始。在接下来的7分钟时间里,它将在厚128千米的火星大气中垂直跌落,承受高达约2400摄氏度的高温,并引导自己猛烈减速,最终降落在巨大的盖尔陨石坑。

  火星科学实验室是迄今为止最为野心勃勃的火星探测项目。它携带的火星车“好奇号”的长度是上一代火星车“勇气号”和“机遇号”的两倍,重量则是它们的5倍。它的着陆区域面积为384平方千米,只有“勇气号”和“机遇号”着陆面积的1/3,因此需要前所未有的精度。此外,“勇气号”和“机遇号”在为期3个月的主任务阶段一共只移动了不到1600米,而“好奇号”却将在一个完整的火星年,也就是687个地球日的时间里,在火星崎岖的地面前进约20千米。

  火星科学实验室的任务是,确定火星是否—或则曾经—存在能支持生命生存的环境。它将用最先进的太空探测工具来完成这一任务。实际上,这不仅仅是一次单纯的火星任务,它还将对若干种新开发的工具和技术进行验证。几十年后,这些技术和工具将帮助人类对木星的卫星木卫二进行探测,并帮助我们最终殖民火星。

  恐怖的7分钟

  在所有成功接触到了火星大气的11次火星任务中,有5次由于在进入大气层、下降和着陆(EDL)阶段出现故障而失败,这也是为什么工程师们将这个阶段称为“恐怖的7分钟”的原因。对于火星科学实验室任务来说,研究人员重新设计了进入EDL阶段的过程。他们用精确的引导进入系统取代了以往粗糙的进入方式,并开发出了新的着陆方法—太空起重机,这种方法今后将成为大型太空车的标准着陆方法。

  进入0分钟

  在准备进入阶段,火星科学实验室由4个主要部件构成:后盖、热护罩、降落模块和“好奇号”火星车。在抵达火星外层大气前,火星科学实验室将首先从后盖上丢弃两个75千克重的钨配重。丢弃配重后,重心的变化将使得火星科学实验室与航向形成一定的倾角,产生一定的升力并接受导航控制。在火星科学实验室的后盖上共有8个推进器,它们推动它向着陆区域前进。在差不多4分钟时间里,摩擦力的作用将使火星科学实验室的速度降低到1600千米/小时。此时它会再次抛弃6块配重,重新恢复平衡,消除其自身与前进方向之间的倾角。

  下降4分钟

  一旦火星科学实验室的速度降低到1440千米/小时,它将会释放一个直径约15米的尼龙-聚酯纤维降落伞。降落伞打开后的一分半时间里,火星科学实验室的速度会降低到290千米/小时。当它携带的雷达探测到与火星表面的距离只有8000米的时候,热护罩脱落,名为“火星下降成像器”的高分辨率相机开始工作,科学家日后将利用它拍摄的视频对着陆地点及其周围环境进行分析。热护罩分离80秒后,后盖带着降落伞同时与主体分离,只留下降落模块和火星车继续降落过程。

  着陆7分钟

  在距离火星表面1600米的时候,降落模块上的8台再入火箭推进器点火,在40秒内将火星科学实验室的速度降低到2.75千米/小时。在距离火星表面约20米的高度,降落模块在保持以2.75千米/小时的速度下降的同时,通过名为“太空起重机”的设备,用尼龙绳将“好奇号”火星车放下。火星车上的计算机将通过“脐带”,向降落模块发送指令。一旦火星车抵达地面,距离地面7.5米高的降落模块将松开尼龙绳,飞离火星车上方,并在其北面150米远的地方坠毁。此时火星车将从EDL模式切换到表面模式,开始其探测任务。

  探测过程

  在主任务阶段,“好奇号”火星车将记录火星的天气变化,分析空气成分,对岩石进行测试以寻找氨基酸、甲烷或者其他能表明火星上现在或者过去有生命存在的有机物。它将面对极低的温度、大风、沙坑和悬崖等危险。为了能满足这些苛刻条件的挑战,工程师用与以往完全不同的方式打造了这辆新一代火星车。与以往的任何火星车相比,它都更坚固、更智能,并能携带更多的科研设备。

  能量

  为了满足“好奇号”这样高能量密度的大型火星车的能量要求,工程师们为它配备了核反应堆。反应堆重约45千克,利用火星车携带的4.8千克钚的衰变,每天能产生约2.7千瓦时的电能,是“勇气号”和“机遇号”火星车携带的太阳能电池发电量的3倍。散热系统会引导反应堆的废热为“好奇号”的两台主计算机保温,防止其在夜晚零下90摄氏度的低温中冻坏。

  导航

  尽管科学家会控制“好奇号”的某些路线和任务,但是绝大多数目标还是要靠它自己来完成。为了躲避危险,“好奇号”会利用安装在桅杆上的两台导航相机所生成的3D图像和安装在车身上的两对立体鱼眼相机产生的图像进行导航。火星车会用图像识别软件对上述设备拍摄的图像进行分析。一旦遇到障碍或者危险地形,它就会自动选择一条安全的规避路线。

  寻找目标

  为了确定应该钻探哪块岩石,“好奇号”会利用“化学与成像(ChemCam)”系统首先进行远距判断。“化学与成像”系统由安装在桅杆上的激光器、望远镜、相机和安装在车身上的分光计组成。首先,激光器会向7米外的岩石发射一系列红外脉冲,百万瓦级的能量将使岩石上的小块区域汽化,产生闪光。望远镜将观测闪光并将信号发送给分光计,分光计会分析闪光的波长并据此确定岩石类型。如果发现某块岩石有存在有机物的希望,任务计划器会在第二天指示“好奇号”对其进行钻探。

  通信

  “好奇号”会每天两次把任务数据通过超高频无线电传送给火星观测轨道器(MRO)—2006年MRO就开始了环绕火星的飞行。利用能传送更多数据的X波段无线电,MRO将把“好奇号”发送来的任务数据中继给任务专家。(信号抵达地球需要8~22分钟时间。)地球上的科学家将利用“好奇号”的成像和传感数据进行每天的任务计划。不同的是,这次他们是按照预定的时间—火星时间上午9点半左右—通过X波段无线电直接把指令发给火星车。

  钻探

  现有的火星车只能在火星的表面上刮取一些样本进行分析,但是地表是找到有机物可能性最小的地方—有机物会在阳光的照射下分解。为了解决这一问题,工程师给“好奇号”装备了1.8米长、带有5个关节的机械臂,在机械臂的末端是一个旋转的冲击钻,足以在岩石上钻出5厘米深的孔。岩石粉末通过通道进入处理单元,之后经过过滤,直径小于150微米的粉末会进入科研设备进行分析。

  分析

  “好奇号”将利用两种工具确定火星上是否曾经有适宜生命生存的环境:“化学与矿物(CheMin)”系统和“火星样本分析”设备。这两种工具都安装在火星车的车身上,并从机械臂接收样本。“化学与矿物”系统利用X射线衍射和荧光在样本中寻找生命环境下才会出现的矿物质,“火星样本分析”设备则会利用激光光谱和气相色谱法在样本中寻找能创造生命的有机物。

  “好奇号” 的前进路线

  在评估了60处可能的着陆点后,科学家最终选择了盖尔陨石坑。“好奇号”将会对陨石坑下方侧面平缓的斜坡进行探测。科学家对这里的一处扇形淤积区域特别感兴趣,因为这片区域很可能意味着泛滥的洪水、沉积的淤泥和硫酸盐,而这就意味着有机物的存在。