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耗资27亿美元,美国又一辆核动力火星车成功着陆,还带了直升机
2021-02-19

毅力号火星车和一辆小轿车差不多,长3米、宽2.7米、高2.2米、质量约1吨,是有史以来最重的火星车,用于寻找远古火星存在过生命的痕迹。

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视频:登陆全程:美国“毅力号”火星车成功降落火星 传回第一张照片,时长约1分28秒

腾讯太空 乔辉

据美国宇航局网站消息,北京时间2021年2月19日凌晨4点55分左右,毅力号火星车成功在火星着陆。据悉,这辆火星车是有史以来最贵的火星车,耗资达27亿美元。

此前,阿联酋的希望号探测器和中国的天问一号探测器已经抵达火星。但阿联酋的希望号探测器只是一颗火星人造卫星,中国的天问一号目前仍然驻留在火星轨道,预计今年5月份择机降落火星。毅力号抵达火星后,则选择了直接降落火星的方式。

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图注:降落后毅力号传回的首张照片,确认着陆成功。

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早在2012年,美国宇航局的好奇号火星车曾经在火星成功着陆,毅力号可看作好奇号的升级版,两者采用了相同的基本架构和降落方式,并且都采用核动力作为在火星表面的前进动力,有关太空探索的核电池技术,我们在下文详解。

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此外,毅力号还携带了一架小型火星直升机,直升机重1.8公斤,高0.5米,螺旋桨直径1.2米,由两个反向旋转的螺旋桨提供升力,功率350瓦。这架小直升机靠顶部的太阳能板进行充电,电能储存在锂离子电池中。充电一天,大概能够飞行90秒!

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图注:好奇号火星车(左)和毅力号火星车(右)(艺术图)。

一、酷炫的降落方式:空中吊车技术

毅力号火星车和一辆小轿车差不多,长3米、宽2.7米、高2.2米、质量约1吨,比好奇号火星车还要重一些。虽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车安全投放到火星表面不得不采用非常规的技术方案。

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图注:毅力号进入火星大气层刹车减速全过程。

这几年,大家对嫦娥三号、嫦娥四号和嫦娥五号在月面着陆的过程比较熟悉,这些月球探测器均采用火箭反推悬停降落的方式进行降落,火箭和着陆平台在下面,载荷在上面。据悉,我国的天问一号也将采用火箭反推的方式降落火星。但对于质量达1吨的毅力号来讲,这种着陆方式就不适合了,而是采用一种叫做“空中吊车”的技术(sky crane),这种技术方案首先在此前的好奇号火星车用过。

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图注:科学家在用模型展示好奇号的空中吊车着陆方式。毅力号的降落方式如出一辙。

着陆器分为两个部分:上面是一个拥有八个反推火箭的空中吊车,下面悬挂着毅力号火星车。当着陆器进入火星大气,在防热罩和降落伞的作用下持续减速,在着陆火星的最后阶段,空中吊车启动发动机,进一步降低速度。在距离火星表面一定距离的时候,空中吊车释放火星车,空中吊车用三根尼龙绳和一根线缆与火星车相连。当火星车接触到地面后,空中吊车完成使命,切断尼龙绳和线缆,独自飞走坠毁。下面我们看一下具体的分解步骤。

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图注:探测器来到火星附近。

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图注:着陆器开始接触火星大气。

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图注:着陆器经历黑色七分钟。

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图注:降落伞打开。

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图注:空中吊车点火。

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图注:空中吊车释放毅力号火星车。

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图注:使命完成,空中吊车飞到远处自毁。

二、毅力号火星车的登陆地点在哪里?

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图注:绿色椭圆是毅力号预定的降落区域,位于撞击坑边缘靠近远古河流入口的地方。(来源:NASA)

毅力号将降落在火星的北纬18度,西经77度,一个名叫杰泽罗撞击坑(Jezero Crater)的地方。这个撞击坑直径49公里,在远古时期曾经充满了水,里面富含沉积的黏土。毅力号火星车选择在这里着陆,就是为了寻找沉积物中可能存在过生命的痕迹。

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图注:动图演示杰泽罗撞击坑的演化历史。

非常有趣的是,曾经有一条河流流入这个远古湖泊,在河流的入口处形成了一个三角洲。毅力号的着陆范围就覆盖在三角洲地带。

三、毅力号火星车携带了哪些重要科学仪器?

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图注:毅力号火星车携带的七大科学仪器。(来源:NASA)

1、Mastcam-Z:这是位于桅杆上的变焦全景相机,能够产生高清晰的全景和立体图像;能够鉴定火星表面岩石的成分,还能够辅助火星车行进。消耗功率大约17.4瓦。

2、SuperCam:这是一台激光超距分析仪,能够远距离利用高清相机、激光和光谱仪对火星上的岩石和土壤成分进行分析。消耗功率大约17.9瓦。

3、PIXL:这是X射线光谱仪,能够利用矿物对X射线产生荧光的原理进行更加精确的分析。装配有微距相机,能够看清非常细小的火星沙粒。消耗功率大约25瓦。

4、SHERLOC:这是紫外光谱仪,能够利用紫外激光对矿物和有机物质进行分析,这将是火星上第一个紫外拉曼光谱仪。这台仪器上还安装有一台高分辨率的彩色相机。消耗总功率大约48.8瓦。

5、MOXIE:我们知道,火星大气中二氧化碳占95%。这台仪器将进行一项非常重要的实验,那就是通过化学反应从火星大气的二氧化碳中制取氧气。有了氧气,不但可以供未来登陆火星的宇航员呼吸使用,而且氧还是火箭的推进剂。这台仪器消耗功率约300瓦。

6、MEDA:相当于移动气象站,能够对火星大气的温度、气压、风速、风向、相对湿度以及沙尘的大小和形状进行记录。消耗功率约17瓦。

7、RIMFAX:这是雷达探测仪,这台仪器是利用雷达对火星表面之下的地质结构进行探测,能够达到厘米级别的分辨率。消耗功率约5瓦至10瓦。

四、毅力号火星车有哪些关键的科学目标?

1、寻找远古火星存在过生命的痕迹。

2、收集岩石和土壤样本,为未来的火星采样返回做准备。

3、探索着陆区域的地质多样性。

4、为未来的火星任务验证新技术。

五、翱翔在火星天空的首架人类直升机

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美国宇航局的本次火星任务,非常具有创新性的一点是,除了高大上的毅力号火星车之外,还有非常灵巧可爱的火星无人机。

这架名为小机灵的直升机重仅为1.8公斤,高0.5米,螺旋桨直径1.2米,由两个反向旋转的螺旋桨提供升力,功率350瓦。

虽然火星的表面引力只有地球的三分之一,从这点看有利于飞行器飞行,但是火星的气压只有地球气压的1%,空气非常稀薄,因此要求螺旋桨转动更加快速才行。小机灵直升机螺旋桨旋转角速度可达2400转每分钟。水平移动的速度为10米每秒,爬升速度为3米每秒。

这架小直升机靠顶部的太阳能板进行充电,电能储存在锂离子电池中。充电一天,大概能够飞行90秒!安装有一个彩色相机和一个黑白相机。

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。

其实,本次火星直升机项目主要是为了进行技术验证,并没有赋予太多任务使命。火星直升机比轨道上的人造卫星分辨率更高,而且比火星车更加灵活,机动性更强。一旦飞行成功,将为未来火星探测增加了全新的方式。

六、不依赖阳光的核能发电装置

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图注:RTG中使用的是二氧钚(钚-238),放射性衰变使其变得非常炽热(左)。1945年美国投掷到日本长崎的原子弹升起的蘑菇云(右),该原子弹的代号为“胖子”,使用的核燃料为钚-239。

虽然太阳能动力也可以在火星上工作,但有时候会遇到问题。当火星上起沙尘暴的时候,火星灰尘会遮挡90%的太阳光,灰尘也会覆盖电池板。毅力号火星车重约1000公斤,是一辆较大的火星车,大小如同一辆小型汽车。它上面搭载有数台高能耗仪器,所以它的能量需求很高,因此依靠太阳能发电不能满足用电需求。

毅力号火星车使用的是“放射性同位素热发电机”(Radioisotope Thermoelectric Generator,缩写为RTG)提供电能。其原理是,通过热电偶装置把放射性同位素钚-238衰变产生的热直接转换为直流电来提供火星车的行驶和各项仪器设备使用。

人造同位素钚-238的半衰期仅为88年,这意味着它的放射性衰减之快可以让它非常炽热。钚-238释放的是阿尔法射线,很容易被阻挡,这种物质不能用于核弹。RTG没有活动的部件,所以很可靠,并且放射性材料能够持续发热很多年。RTG除了用于为毅力号供电之外,余热还能为毅力号的各种仪器以及自身供暖。

毅力号使用的RTG装置是当年好奇号火星车的备用产品,重量约45公斤,里面封存有4.8公斤的二氧化钚。当电力需求低谷的时候,RTG就给两块锂离子电池充电,以备用电需求增加的时候使用。随着放射性元素的不断衰变,输出功率会越来越低,但毅力号上的RTG使用寿命至少可达14年。

其实,这种利用核能的方式并不是太新鲜的科技。当年阿波罗登月期间,就使用过这种发电装置。

对于那些飞往火星之外的探测器,使用核能几乎是唯一的选择。大名鼎鼎的旅行者1号探测器、旅行者2号探测器、先驱者10号探测器、先驱者11号探测器以及飞掠冥王星的新视野探测器,都是采用RTG供电。除此之外,探测木星的伽利略探测器、探测土星的卡西尼探测器也都是利用的RTG供电。唯一的例外是朱诺号木星探测器,朱诺号采用的是异常巨大的太阳能板供电,据说是由于当年用于RTG的钚238储备不足,不得已而采用权宜之计。

七、1093万个地球人名字飞往火星

为了唤起公众对这次火星任务的注意,依照惯例,美国宇航局开展了“发送你的名字到火星”的活动,通过网络向全世界征集,最终征集了10932295个名字。值得注意的是,这些名字不是以二进制的形式存放在内存里,而是用电子束雕刻的方式刻在三块指甲盖大小的硅片上。

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图注:1093万个地球人名不是以二进制的形式存放在内存里,而是用电子束雕刻的方式刻在三块指甲盖大小的硅片上(红圈部分)。

这种活动,美国宇航局已经举办过多次,每当有深空探测任务的时候,往往都会通过网络征集名字。最近的一次是2018年洞察号火星车发射的时候,同样征集过一波,那次收集的人名数量大约有240万。2011年好奇号火星车发射的时候,征集到的人名数量才100多万。

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图注:这是本文作者上传到毅力号火星车上名字后,返回的纪念票。

八、人类探测火星的重要意义是什么?

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火星是太阳系内与地球环境最接近的行星,有稀薄的大气层,气压为地球的1%,局部最高温度甚至可达35摄氏度,当然平均温度还是比较低的,只有零下63摄氏度。此外,还封存有大量冷冻状态的水。因此,在未来,火星几乎是唯一存在移民可能性的行星。另外,火星还可能存在像微生物这种低等生命的可能性。这也是世界各国热衷探索火星的重要原因。

 

 

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