美國「毅力號」成功着陸火星,它要入隕石坑的四個具體任務目標

北京時間2月19日凌晨4時55分,美國「火星2020」任務中的毅力號火星車經過6個多月的飛行,成功着陸在火星表面的傑澤羅隕石坑,正式開啟探測之旅。雖然美國毅力號火星車是今年火星三國演義(阿聯酋、中國、美國)中最後抵達火星的探測器,但卻是最先降落在火星表面的航天器,這也是美國送往火星的第五輛火星車,也是迄今為止最復雜的火星車。

那麼,毅力號火星車此次的主要任務是什麼?它又有哪些特點呢?

降落法與「好奇號」相似

作為美國宇航局耗資27億美元的「火星2020」任務的絕對主角——毅力號火星車的着陸方式和好奇號火星車在2012年8月着陸火星的方式一樣,包括降落傘、下降飛行器和一種被稱為「天空起重機」的方法。

美國「毅力號」成功着陸火星,它要入隕石坑的四個具體任務目標

「毅力號」着陸後傳回的第二張火星照片

在着陸前的最後幾秒鍾,用一個火箭反推懸浮的天車,把火星車吊掛着放在地面上。這種着陸系統的發明,讓人們可以在火星表面着陸一個非常大、非常重的探測器。

當然,「毅力號」也不是完全沿用「好奇號」的着陸技術,而是採用了一些新技術,可以達到更高的導航精度和更豐富的數據回傳。

為此,「毅力號」的科研團隊採用了新方法,讓它降落到盡量接近目標區域的位置。這項技術稱為「距離觸發」,可以把橢圓形預定着陸區的尺寸減小50%以上。

「距離觸發」技術的關鍵,是選擇合適的時機來釋放下降飛行器的降落傘。早期的任務中,探測器會在火星大氣中摩擦減速,達到預期速度後盡早開傘。「毅力號」則不然,它會根據探測器相對於預定着陸位置的距離開傘。如果探測器有可能錯過目標區,就要提前開傘;如果可能無法抵達目標區,就要錯後開傘。

地形相對導航技術和我國嫦娥四號探測器所採用的降落導航技術有相似的地方。「毅力號」特別適合地形復雜、有陡坡和大塊岩石、比較危險的地方。

美國「毅力號」成功着陸火星,它要入隕石坑的四個具體任務目標

美國「毅力號」成功着陸火星,它要入隕石坑的四個具體任務目標

「毅力號」降落的傑澤羅隕石坑是一處明顯的三角洲沖積扇。數十億年前,火星仍然溫暖潮濕,這里曾是一片澤國。如果真的出現過火星生命,這里就是最有希望找到生命遺跡的地點之一。

它的工作原理很容易解釋:首先是繞着火星飛行的探測器拍攝和繪制了着陸地點的地圖,把可能的風險都標注出來。這張地圖會存儲在「毅力號」的電腦里。開傘後,「毅力號」會打開相機拍攝火星地面情況,把實際看到的地表與存儲的地圖進行對比。如果「毅力號」發現自己正向着危險地表接近(判斷范圍大約是300米邊長的區域),可以改變方向,選擇一個更加安全的區域降落。

性能強大的「毅力號」

「毅力號」計劃實施為期一個火星年(687個地球日)的探測。具體任務包括4個目標。

美國「毅力號」成功着陸火星,它要入隕石坑的四個具體任務目標

「毅力號」在火星表面進行探測任務

目標一:尋找可居住性,發現在火星遠古時期可能支持微生物生存的環境中形成的岩石,或被微生物改變的岩石,確定火星過去確實存在着能夠支持微生物生存的環境。

目標二:尋找生物特徵,在那些適宜居住的環境中尋找可能存在的遠古微生物跡象,特別是在那些能長期保存生命跡象的特殊岩石中。

目標三:暫存樣本,從大約30個有希望找到生物痕跡的岩石和表土目標上鑽取樣本,並將其存儲在火星表面的具體位置。

目標四:為載人登陸做准備,測試從火星二氧化碳大氣中產生氧氣的能力。火星大氣非常稀薄,而且二氧化碳含量高達96%。人類肯定不能直接呼吸火星大氣,但二氧化碳的存在,讓人們看到了製取氧氣的希望。假如能夠用火星大氣制氧,未來的火星基地就可以自己解決呼吸問題,還可以支持更大規模的火星科考與資源開發。

能在石頭上打眼的沖擊鑽

在火星表面作業中,「毅力號」的主要工作是在石頭上打洞。具體分為以下幾個步驟:

第一步:找到有價值的岩石。科研人員特別希望能找到在水中形成或被水改變的岩石。水是生命的關鍵,如果這些岩石含有有機分子,那就更有趣了。

第二步:採集岩樣。一旦科研人員確定了一個感興趣的岩石目標,「毅力號」就會動用鑽機,鑽出一個核心樣本。鑽機的原理和我們在地球上給空調打孔的水鑽一樣,但考慮到「毅力號」的承載能力和發電功率都很有限,而且也不可能加水冷卻及潤滑,它的鑽取深度只有2英寸(大約5厘米)。

第三步:密封岩石樣本。岩芯樣品鑽取下來後,就要放進預先清洗過的樣品管里,蓋上蓋子。按照地球上岩石的密度計算,每個樣品重約半盎司(15克)。

第四步:攜帶樣品。存好樣品後,「毅力號」會把管子插進自身攜帶的一個儲存架上,然後帶着它繼續行進,直到任務小組在火星表面選好一個臨時存儲位置為止。因為這些樣品來之不易,所以任務小組把這些臨時位置稱為「戰略位置」。

最後一步:保存樣本。將火星樣本放在火星表面的一個位置,等待2022年美國宇航局發射另一個探測器到火星。這個探測器具備從火星表面起飛的能力,它會找到「毅力號」存放樣品的地方,把它取走帶回地球。

與眾不同的機械臂

鑽探工作的主角是「毅力號」的機械臂。這條2.1米長的機械手臂可以像人的手臂一樣運動。它有肩膀、肘部和手腕關節,保證了最大限度的靈活性。這只手臂可以讓火星車像人類地質學家一樣工作,用「手」或轉塔握住和使用科學工具。火星車的「手動工具」可以從岩石中提取岩芯,拍攝顯微圖像,分析火星岩石和土壤的元素組成和礦物組成。

美國「毅力號」成功着陸火星,它要入隕石坑的四個具體任務目標

「毅力號」使用機械臂在岩石上打洞

這條機械臂有5個自由度,是通過名為「旋轉執行器」的微型馬達實現的,這5個自由度是肩關節、臂關節、肘關節、腕關節和轉塔關節。

手臂末端轉塔就像一隻手,可以握持相機、礦物和化學分析儀,用來研究火星過去的可居住性,並選擇最具科學價值的樣本進行儲存。

能在火星上起飛的「機智號」

除「毅力號」本身外,它還攜帶了1架名為「機智號」的小型直升機,能夠對火星車着陸區域附近進行空中偵察。一旦成功,「機智號」將成為人類首架在其他行星上飛行的可控飛行器。

美國「毅力號」成功着陸火星,它要入隕石坑的四個具體任務目標

 「毅力號」攜帶的「才智號」

「機智號」的命名來自美國亞拉巴馬州高中生瓦尼莎·魯帕尼,最終被美國宇航局選中。

據悉,只有1.8公斤重的「機智號」,並未配備科學儀器。它由兩個反向旋轉的螺旋槳提供升力,旋轉角速度為2400轉/分鍾,水平移動速度10米/秒,爬升速度3米/秒。「機智號」將在一個月的試驗行動中開展一系列短時飛行任務。

美國「毅力號」成功着陸火星,它要入隕石坑的四個具體任務目標

「機智號」從火星上起飛模擬圖

美國宇航局表示,若獲成功,「機智號」有望為未來利用旋翼飛機對火星開展廣泛的空中探測鋪平道路。

來源:cnBeta