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    耗資27億美元,美國又一輛核動力火星車成功著陸,還帶了直升機
    2021-02-19

    毅力號火星車和一輛小轎車差不多,長3米、寬2.7米、高2.2米、質量約1噸,是有史以來最重的火星車,用于尋找遠古火星存在過生命的痕跡。

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    視頻:登陸全程:美國“毅力號”火星車成功降落火星 傳回第一張照片,時長約1分28秒

    騰訊太空 喬輝

    據美國宇航局網站消息,北京時間2021年2月19日凌晨4點55分左右,毅力號火星車成功在火星著陸。據悉,這輛火星車是有史以來最貴的火星車,耗資達27億美元。

    此前,阿聯酋的希望號探測器和中國的天問一號探測器已經抵達火星。但阿聯酋的希望號探測器只是一顆火星人造衛星,中國的天問一號目前仍然駐留在火星軌道,預計今年5月份擇機降落火星。毅力號抵達火星后,則選擇了直接降落火星的方式。

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    圖注:降落后毅力號傳回的首張照片,確認著陸成功。

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    早在2012年,美國宇航局的好奇號火星車曾經在火星成功著陸,毅力號可看作好奇號的升級版,兩者采用了相同的基本架構和降落方式,并且都采用核動力作為在火星表面的前進動力,有關太空探索的核電池技術,我們在下文詳解。

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    此外,毅力號還攜帶了一架小型火星直升機,直升機重1.8公斤,高0.5米,螺旋槳直徑1.2米,由兩個反向旋轉的螺旋槳提供升力,功率350瓦。這架小直升機靠頂部的太陽能板進行充電,電能儲存在鋰離子電池中。充電一天,大概能夠飛行90秒!

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    圖注:好奇號火星車(左)和毅力號火星車(右)(藝術圖)。

    一、酷炫的降落方式:空中吊車技術

    毅力號火星車和一輛小轎車差不多,長3米、寬2.7米、高2.2米、質量約1噸,比好奇號火星車還要重一些。雖然火星的表面引力只有地球的三分之一,但是把如此巨大的火星車安全投放到火星表面不得不采用非常規的技術方案。

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    圖注:毅力號進入火星大氣層剎車減速全過程。

    這幾年,大家對嫦娥三號、嫦娥四號和嫦娥五號在月面著陸的過程比較熟悉,這些月球探測器均采用火箭反推懸停降落的方式進行降落,火箭和著陸平臺在下面,載荷在上面。據悉,我國的天問一號也將采用火箭反推的方式降落火星。但對于質量達1噸的毅力號來講,這種著陸方式就不適合了,而是采用一種叫做“空中吊車”的技術(sky crane),這種技術方案首先在此前的好奇號火星車用過。

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    圖注:科學家在用模型展示好奇號的空中吊車著陸方式。毅力號的降落方式如出一轍。

    著陸器分為兩個部分:上面是一個擁有八個反推火箭的空中吊車,下面懸掛著毅力號火星車。當著陸器進入火星大氣,在防熱罩和降落傘的作用下持續減速,在著陸火星的最后階段,空中吊車啟動發動機,進一步降低速度。在距離火星表面一定距離的時候,空中吊車釋放火星車,空中吊車用三根尼龍繩和一根線纜與火星車相連。當火星車接觸到地面后,空中吊車完成使命,切斷尼龍繩和線纜,獨自飛走墜毀。下面我們看一下具體的分解步驟。

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    圖注:探測器來到火星附近。

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    圖注:著陸器開始接觸火星大氣。

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    圖注:著陸器經歷黑色七分鐘。

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    圖注:降落傘打開。

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    圖注:空中吊車點火。

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    圖注:空中吊車釋放毅力號火星車。

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    圖注:使命完成,空中吊車飛到遠處自毀。

    二、毅力號火星車的登陸地點在哪里?

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    圖注:綠色橢圓是毅力號預定的降落區域,位于撞擊坑邊緣靠近遠古河流入口的地方。(來源:NASA)

    毅力號將降落在火星的北緯18度,西經77度,一個名叫杰澤羅撞擊坑(Jezero Crater)的地方。這個撞擊坑直徑49公里,在遠古時期曾經充滿了水,里面富含沉積的黏土。毅力號火星車選擇在這里著陸,就是為了尋找沉積物中可能存在過生命的痕跡。

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    圖注:動圖演示杰澤羅撞擊坑的演化歷史。

    非常有趣的是,曾經有一條河流流入這個遠古湖泊,在河流的入口處形成了一個三角洲。毅力號的著陸范圍就覆蓋在三角洲地帶。

    三、毅力號火星車攜帶了哪些重要科學儀器?

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    圖注:毅力號火星車攜帶的七大科學儀器。(來源:NASA)

    1、Mastcam-Z:這是位于桅桿上的變焦全景相機,能夠產生高清晰的全景和立體圖像;能夠鑒定火星表面巖石的成分,還能夠輔助火星車行進。消耗功率大約17.4瓦。

    2、SuperCam:這是一臺激光超距分析儀,能夠遠距離利用高清相機、激光和光譜儀對火星上的巖石和土壤成分進行分析。消耗功率大約17.9瓦。

    3、PIXL:這是X射線光譜儀,能夠利用礦物對X射線產生熒光的原理進行更加精確的分析。裝配有微距相機,能夠看清非常細小的火星沙粒。消耗功率大約25瓦。

    4、SHERLOC:這是紫外光譜儀,能夠利用紫外激光對礦物和有機物質進行分析,這將是火星上第一個紫外拉曼光譜儀。這臺儀器上還安裝有一臺高分辨率的彩色相機。消耗總功率大約48.8瓦。

    5、MOXIE:我們知道,火星大氣中二氧化碳占95%。這臺儀器將進行一項非常重要的實驗,那就是通過化學反應從火星大氣的二氧化碳中制取氧氣。有了氧氣,不但可以供未來登陸火星的宇航員呼吸使用,而且氧還是火箭的推進劑。這臺儀器消耗功率約300瓦。

    6、MEDA:相當于移動氣象站,能夠對火星大氣的溫度、氣壓、風速、風向、相對濕度以及沙塵的大小和形狀進行記錄。消耗功率約17瓦。

    7、RIMFAX:這是雷達探測儀,這臺儀器是利用雷達對火星表面之下的地質結構進行探測,能夠達到厘米級別的分辨率。消耗功率約5瓦至10瓦。

    四、毅力號火星車有哪些關鍵的科學目標?

    1、尋找遠古火星存在過生命的痕跡。

    2、收集巖石和土壤樣本,為未來的火星采樣返回做準備。

    3、探索著陸區域的地質多樣性。

    4、為未來的火星任務驗證新技術。

    五、翱翔在火星天空的首架人類直升機

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    美國宇航局的本次火星任務,非常具有創新性的一點是,除了高大上的毅力號火星車之外,還有非常靈巧可愛的火星無人機。

    這架名為小機靈的直升機重僅為1.8公斤,高0.5米,螺旋槳直徑1.2米,由兩個反向旋轉的螺旋槳提供升力,功率350瓦。

    雖然火星的表面引力只有地球的三分之一,從這點看有利于飛行器飛行,但是火星的氣壓只有地球氣壓的1%,空氣非常稀薄,因此要求螺旋槳轉動更加快速才行。小機靈直升機螺旋槳旋轉角速度可達2400轉每分鐘。水平移動的速度為10米每秒,爬升速度為3米每秒。

    這架小直升機靠頂部的太陽能板進行充電,電能儲存在鋰離子電池中。充電一天,大概能夠飛行90秒!安裝有一個彩色相機和一個黑白相機。

    這架直升機無法直接和地球聯絡,要通過毅力號進行信息接力傳輸,因此,不能飛離毅力號太遠,最遠航程僅300米,最遠通訊距離為1公里。

    其實,本次火星直升機項目主要是為了進行技術驗證,并沒有賦予太多任務使命?;鹦侵鄙龣C比軌道上的人造衛星分辨率更高,而且比火星車更加靈活,機動性更強。一旦飛行成功,將為未來火星探測增加了全新的方式。

    六、不依賴陽光的核能發電裝置

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    圖注:RTG中使用的是二氧钚(钚-238),放射性衰變使其變得非常熾熱(左)。1945年美國投擲到日本長崎的原子彈升起的蘑菇云(右),該原子彈的代號為“胖子”,使用的核燃料為钚-239。

    雖然太陽能動力也可以在火星上工作,但有時候會遇到問題。當火星上起沙塵暴的時候,火星灰塵會遮擋90%的太陽光,灰塵也會覆蓋電池板。毅力號火星車重約1000公斤,是一輛較大的火星車,大小如同一輛小型汽車。它上面搭載有數臺高能耗儀器,所以它的能量需求很高,因此依靠太陽能發電不能滿足用電需求。

    毅力號火星車使用的是“放射性同位素熱發電機”(Radioisotope Thermoelectric Generator,縮寫為RTG)提供電能。其原理是,通過熱電偶裝置把放射性同位素钚-238衰變產生的熱直接轉換為直流電來提供火星車的行駛和各項儀器設備使用。

    人造同位素钚-238的半衰期僅為88年,這意味著它的放射性衰減之快可以讓它非常熾熱。钚-238釋放的是阿爾法射線,很容易被阻擋,這種物質不能用于核彈。RTG沒有活動的部件,所以很可靠,并且放射性材料能夠持續發熱很多年。RTG除了用于為毅力號供電之外,余熱還能為毅力號的各種儀器以及自身供暖。

    毅力號使用的RTG裝置是當年好奇號火星車的備用產品,重量約45公斤,里面封存有4.8公斤的二氧化钚。當電力需求低谷的時候,RTG就給兩塊鋰離子電池充電,以備用電需求增加的時候使用。隨著放射性元素的不斷衰變,輸出功率會越來越低,但毅力號上的RTG使用壽命至少可達14年。

    其實,這種利用核能的方式并不是太新鮮的科技。當年阿波羅登月期間,就使用過這種發電裝置。

    對于那些飛往火星之外的探測器,使用核能幾乎是唯一的選擇。大名鼎鼎的旅行者1號探測器、旅行者2號探測器、先驅者10號探測器、先驅者11號探測器以及飛掠冥王星的新視野探測器,都是采用RTG供電。除此之外,探測木星的伽利略探測器、探測土星的卡西尼探測器也都是利用的RTG供電。唯一的例外是朱諾號木星探測器,朱諾號采用的是異常巨大的太陽能板供電,據說是由于當年用于RTG的钚238儲備不足,不得已而采用權宜之計。

    七、1093萬個地球人名字飛往火星

    為了喚起公眾對這次火星任務的注意,依照慣例,美國宇航局開展了“發送你的名字到火星”的活動,通過網絡向全世界征集,最終征集了10932295個名字。值得注意的是,這些名字不是以二進制的形式存放在內存里,而是用電子束雕刻的方式刻在三塊指甲蓋大小的硅片上。

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    圖注:1093萬個地球人名不是以二進制的形式存放在內存里,而是用電子束雕刻的方式刻在三塊指甲蓋大小的硅片上(紅圈部分)。

    這種活動,美國宇航局已經舉辦過多次,每當有深空探測任務的時候,往往都會通過網絡征集名字。最近的一次是2018年洞察號火星車發射的時候,同樣征集過一波,那次收集的人名數量大約有240萬。2011年好奇號火星車發射的時候,征集到的人名數量才100多萬。

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    圖注:這是本文作者上傳到毅力號火星車上名字后,返回的紀念票。

    八、人類探測火星的重要意義是什么?

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    火星是太陽系內與地球環境最接近的行星,有稀薄的大氣層,氣壓為地球的1%,局部最高溫度甚至可達35攝氏度,當然平均溫度還是比較低的,只有零下63攝氏度。此外,還封存有大量冷凍狀態的水。因此,在未來,火星幾乎是唯一存在移民可能性的行星。另外,火星還可能存在像微生物這種低等生命的可能性。這也是世界各國熱衷探索火星的重要原因。

     

     

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