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毅力号成为人类历史上最贵火星车!它究竟先进在哪里

2021-03-03 09:02:06来源:极客公园

比起前辈们,毅力号先进在哪里?

在两百年前的望远镜时代,只有等到每 26 个月一次的「火星冲」,人们才能看到火星的面貌——还未必能看清。到了探测器的时代,历代火星车正在火星表面,随时随地地向地球发回火星最新的数据、照片和声音。

去年七月,美国宇航局将一个神奇的飞行器送往了将近 3 亿英里外的火星,并给它取名为「毅力号」。经过六个半月的飞行,毅力号以每小时 12100 英里的速度到达了火星大气层的边缘,并成功降落。

这次发射总耗资约 30 亿美金,其中毅力号的建造、发射、着陆与运营费用就高达 27 亿美金。这使得毅力号超过造价25亿美金的好奇号,成为人类历史上最贵的火星车。

资金的大量投入没有白费,毅力号的落点较之前几代火星车更为精准、智能,它所携带的人类历史上第一架火星直升机开拓了观测火星的全新视角。更为重要的是,毅力号所开启的“火星样品返回”计划,意味着人们对于火星生命的探索进入了新阶段。

愈发准确的落点

「降落」,是任何登陆火星的飞行器,都必须经历的惊险第一步。

人类自 1960 年以来先后开展了 40 多次火星探测,成功率并不高,此前只有 8 次任务成功着陆火星并顺利开展探测工作。

火星着陆的难度主要在于两个方面:一是火星质量大导致着陆的加速度大,需要探测器有更好的减速能力;二是从进入火星大气开始,探测器无法与地球通信,需要通过自主控制完成着陆。

由于毅力号有 1025 千克重,是迄今为止最重的火星车,其着陆时减速的难度就更上一层。为了解决这一难题,毅力号着陆采取了和好奇号相同的「空中吊车」技术。

在进入着陆的最后阶段后,空中吊车会启动发动机进一步降速,在到达一定距离后,释放火星车接触地面,最后空中吊车完成使命,切断尼龙绳和线缆,自行飞走坠毁。

人类第一辆火星车旅居者号个头只有微波炉大小,是由探路者号着陆器携带着降落到火星表面,使用气囊完成降落后的缓冲减速,在着陆火星的最后阶段借助气囊多次弹跳来实现缓冲,最终安全停留在火星表面。

之后的勇气号和机遇号火星车,体型超过 200 千克,携带的仪器相对复杂,采用火箭反推和气囊弹跳完成最后的减速。

相较于前几代火星车,「空中吊车」技术使得好奇号和毅力号以更为安全稳妥的方式着陆。

然而,在地球上测试「空中吊车」的重要组件并不是件容易的事情,因为火星大气的厚度只有地球的百分之一,引力只有地球的三分之一。要在地球上模拟火星的落地环境,虽然能做到,但模拟越精准费用越高,这也是为什么火星车的造价越来越高的原因之一。

对比 2021 年的毅力号和 2012 年的好奇号,二者虽然都采用「空中吊车」技术,但毅力号显然更为先进。毅力号采用智能辨别系统选择着陆点之后分离降落伞,而不再像好奇号那样机械定时、固定式分离减速伞,从而让毅力号自主性软着陆变得更安全、更智能,落点也愈发准确。

23 日,美国宇航局 (NASA) 发布了由毅力号着陆舱和火星车拍摄的着陆视频,以第一视角再现了著名的「恐怖七分钟」着陆过程,这是有史以来首次被记录下的火星着陆视频。

尽管此前登陆火星的探测器已经发回了大量的遥测数据和图像,但此前发射的探测器均没能记录下着陆过程中的珍贵影像。而此次传回的火星着陆视频,为人类进一步了解「恐怖七分钟」和改进未来的着陆技术,提供了宝贵的经验。

不一样的视角

经历了恐怖的落地瞬间,火星车得以在更近的距离上「观察」这个红色星球。

目前,对行星的探测手段主要有环绕探测、原位探测和巡视探测三种。

环绕探测主要在环绕轨道上进行远距离遥感探测,原位探测是利用着陆的探测器在固定范围内展开探测,巡视探测即为火星车在火星表面进行观测。

这三种探测方式各有局限。环绕探测清晰度受限,原位探测范围受限,巡视探测虽然较为灵活,但火星车的行走范围依旧有限。以机遇号」火星车为例,它在 14 年的工作过程中总共仅移动了 45 公里,相对于火星两万多公里的周长来说显得微不足道。

为了突破种种观测困境,美国喷气动力实验室展开了新的尝试——「火星侦查直升机」。

人类历史上第一台火星直升机「机智号」跟随毅力号一同登上了火星。这架直升机无法直接和地球联络,要通过毅力号进行信息接力传输,因此,不能飞离毅力号太远,最远航程仅 300 米,最远通讯距离为 1 公里。

虽然目前的火星直升机看起来功能尚不成熟,但喷气动力实验室的科学家们为了实现这一突破,专门为火星直升机研发了专门的模拟装置。

直升机能够升空飞行,靠的是旋翼在旋转过程中与空气相互作用产生的升力。而火星表面的大气无论是密度还是成分都与地球不同,因此,火星直升机与地球直升机在构造上将有很大不同。其次,火星上的重力加速度仅为 3.7 米每平方秒,因此同样质量的物体在火星上受到的重力将比在地球上小很多。

为了更真实地模拟火星环境,在进行测试时,模拟装置要先抽走内部的空气,再注入与火星大气成分相同的气体,使装置内部的气体密度和气压与火星表面基本相当。为了在地球上模拟火星上所受到的重力,这个装置还用一个连接到直升机顶部的机动吊绳提供拉力,抵消一部分重力作用。

如果机智号在首次飞行期间成功起飞并悬停,那么该项目 90% 以上的目标都将实现。如果旋翼飞机成功着陆并保持可操作性,最多可以尝试四次以上的飞行,每一次都是在最后一次成功的基础上进行的。

火星直升机比轨道上的人造卫星分辨率更高,而且比火星车更灵活。

机智号将提供一种独特的视角,在目前高空的轨道飞行器或地面上的火星车无法提供的角度上,传输高清晰图像并进行观察。它将为未来对这颗红色星球的探索增加一个空中维度。

水、有机物与生命

几十年来,各种火星探测器、火星车在地球上进行层层测试,在火星大气层历经考验,在不同维度上观测火星,无非想要证实一点:火星上是否存在或曾经存在生命?

这几十年的努力是从寻找「水」开始的。

2004 年 1 月,勇气号、机遇号相继着陆在火星的古谢夫撞击坑和子午平原,它们的目标是探寻火星上的冰。

2012 年 8 月,好奇号成功着陆于火星赤道一带的盖尔撞击坑中,它的发现一度给了我们无尽的希望。

好奇号通过拍照等遥感方式远程探测火星表面的地貌、成分,在火星上钻孔,直接采样分析火星样本的成分,发现了噻吩(C4H4S)、芳香族和脂肪族等复杂有机物在火星上的存在。

虽然上述的探测结果看起来收获满满,但这些早期的任务并没有发现任何决定性的生命迹象,NASA 行星科学部主任洛里·格莱兹 (Lori Glaze) 说:"我们现在知道,我们当时设计的实验并不是探测生命存在的正确方法。"

毕竟火星车上的仪器再先进,也没有在地球实验室里研究得全面。

美国国家航空航天局(NASA)和欧洲航天局(ESA)准备再进一步,展开「火星样品返回(MSR)」任务。该计划设想到 2031 年,从火星上将样本取回来。

MSR 工作的核心是在两米长的机械臂末端安装一个摄像机、分光镜和钻探设备的炮塔。科学家将利用炮塔来确定和检索具有天体生物学意义的物质,将其装进多达 43 个试管,然后储存起来,供后续飞行任务取回。

具体实现探测和检索功能的是以名侦探「夏洛克·福尔摩斯」命名的仪器 SHERLOC。SHERLOC 安装在毅力号机器臂前端,包括一个紫外激光拉曼光谱仪和一个昵称「华生」的相机,可以协同工作,精细探测火星表面的矿物成分、有机分子和可能的生命痕迹。

2026 年,NASA 将发射样本回收着陆器(SRL)。SRL 将包括一个固定不动的着陆器、一个 ESA 提供的样本回收车(SFR)和一个高度不超过 3 米的火星上升运载火箭(MAV)。

NASA 火星取样返回任务负责人布莱恩·穆尔黑德表示,MAV 必须要在低温和多灰尘的火星环境中生存下来,然后还要成功发射并进入火星轨道,「所以,这是一个具有挑战性的发射场景」。

天问一号副总设计师贾阳则向极客公园表示,样本取回的降落难度也十分大,「运回时着陆地点要求比较精确,从火星那么远的地方运回,要求落到一个地方并不容易。」

目前,火星取样返回任务仍然处于概念阶段,该项目还没有正式列入 NASA 或 ESA 的预算中。

但再难的事情也总会被突破。就像对于拿着望远镜对火星遥遥相望的人来说,着陆到火星表面近距离观测是无法想象的,样本返回难度再大也会随着技术的发展被攻克。正如同「毅力号」的名字所寄予的希望那样,坚持不懈地研发、测试、迭代,十年、二十年、几十年后,人类对于火星的了解势必将再次实现飞跃。

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