? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?航天時(shí)代?火星探索?NASA“毅力號(hào)”

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2021-07-05? ?青野云麓??

北京時(shí)間2021年2月19日凌晨4點(diǎn)55分左右，毅力號(hào)火星車成功在火星著陸，這是繼今年2月10日阿聯(lián)酋的希望號(hào)探測(cè)器和中國(guó)的天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器抵達(dá)火星后，又一抵達(dá)火星的探測(cè)器。據(jù)悉，這是迄今為止人類造價(jià)最貴的火星車，耗資達(dá)27億美元。

其中，阿聯(lián)酋的希望號(hào)探測(cè)器只是一顆火星人造衛(wèi)星，中國(guó)的天問(wèn)一號(hào)目前仍然駐留在火星軌道，預(yù)計(jì)今年5月份擇機(jī)降落火星。毅力號(hào)抵達(dá)火星后，則選擇了直接降落火星的方式。

早在2012年，美國(guó)宇航局的好奇號(hào)火星車曾經(jīng)在火星成功著陸，毅力號(hào)可看作好奇號(hào)的升級(jí)版，兩者采用了相同的基本架構(gòu)和降落方式，并且都采用核動(dòng)力作為在火星表面的前進(jìn)動(dòng)力，有關(guān)太空探索的核電池技術(shù)，我們?cè)谙挛脑斀狻?/span>

此外，毅力號(hào)還攜帶了一架小型火星直升機(jī)，直升機(jī)重1.8公斤，高0.5米，螺旋槳直徑1.2米，由兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳提供升力，功率350瓦。這架小直升機(jī)靠頂部的太陽(yáng)能板進(jìn)行充電，電能儲(chǔ)存在鋰離子電池中。充電一天，大概能夠飛行90秒！

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一、酷炫的降落方式：空中吊車技術(shù)

毅力號(hào)火星車和一輛小轎車差不多，長(zhǎng)3米、寬2.7米、高2.2米、質(zhì)量約1噸，比好奇號(hào)火星車還要重一些，也是人類目前最重的火星探測(cè)器。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(guī)的技術(shù)方案。

這幾年，大家對(duì)嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)和嫦娥五號(hào)在月面著陸的過(guò)程比較熟悉，這些月球探測(cè)器均采用火箭反推懸停降落的方式進(jìn)行降落，火箭和著陸平臺(tái)在下面，載荷在上面。

據(jù)悉，我國(guó)的天問(wèn)一號(hào)也將采用火箭反推的方式降落火星。但對(duì)于質(zhì)量達(dá)1噸的毅力號(hào)來(lái)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(shù)（sky crane），這種技術(shù)方案首先在此前的好奇號(hào)火星車用過(guò)。

著陸器分為兩個(gè)部分：上面是一個(gè)擁有八個(gè)反推火箭的空中吊車，下面懸掛著毅力號(hào)火星車。當(dāng)著陸器進(jìn)入火星大氣，在防熱罩和降落傘的作用下持續(xù)減速，在著陸火星的最后階段，空中吊車啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步降低速度。在距離火星表面一定距離的時(shí)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(dāng)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(dú)自飛走墜毀。下面我們看一下具體的分解步驟。

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二、毅力號(hào)火星車的登陸地點(diǎn)在哪里？

毅力號(hào)將降落在火星的北緯18度，西經(jīng)77度，一個(gè)名叫杰澤羅撞擊坑（Jezero Crater）的地方。這個(gè)撞擊坑直徑49公里，在遠(yuǎn)古時(shí)期曾經(jīng)充滿了水，里面富含沉積的黏土。毅力號(hào)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(guò)生命的痕跡。

非常有趣的是，曾經(jīng)有一條河流流入這個(gè)遠(yuǎn)古湖泊，在河流的入口處形成了一個(gè)三角洲。毅力號(hào)的著陸范圍就覆蓋在三角洲地帶。

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三、毅力號(hào)火星車攜帶了哪些重要科學(xué)儀器？

1. Mastcam-Z：這是位于桅桿上的變焦全景相機(jī)，能夠產(chǎn)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(jìn)。消耗功率大約17.4瓦。

2. SuperCam：這是一臺(tái)激光超距分析儀，能夠遠(yuǎn)距離利用高清相機(jī)、激光和光譜儀對(duì)火星上的巖石和土壤成分進(jìn)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(duì)X射線產(chǎn)生熒光的原理進(jìn)行更加精確的分析。裝配有微距相機(jī)，能夠看清非常細(xì)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(duì)礦物和有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行分析，這將是火星上第一個(gè)紫外拉曼光譜儀。這臺(tái)儀器上還安裝有一臺(tái)高分辨率的彩色相機(jī)。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(tái)儀器將進(jìn)行一項(xiàng)非常重要的實(shí)驗(yàn)，那就是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)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(lái)登陸火星的宇航員呼吸使用，而且氧還是火箭的推進(jìn)劑。這臺(tái)儀器消耗功率約300瓦。

6. MEDA：相當(dāng)于移動(dòng)氣象站，能夠?qū)鹦谴髿獾臏囟取鈮?、風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度以及沙塵的大小和形狀進(jìn)行記錄。消耗功率約17瓦。

7. RIMFAX：這是雷達(dá)探測(cè)儀，這臺(tái)儀器是利用雷達(dá)對(duì)火星表面之下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，能夠達(dá)到厘米級(jí)別的分辨率。消耗功率約5瓦至10瓦。

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四、毅力號(hào)火星車有哪些關(guān)鍵的科學(xué)目標(biāo)？

1. 尋找遠(yuǎn)古火星存在過(guò)生命的痕跡。

2. 收集巖石和土壤樣本，為未來(lái)的火星采樣返回做準(zhǔn)備。

3. 探索著陸區(qū)域的地質(zhì)多樣性。

4. 為未來(lái)的火星任務(wù)驗(yàn)證新技術(shù)。

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五、翱翔在火星天空的首架人類直升機(jī)

美國(guó)宇航局的本次火星任務(wù)，非常具有創(chuàng)新性的一點(diǎn)是，除了高大上的毅力號(hào)火星車之外，還有非常靈巧可愛的火星無(wú)人機(jī)。

這架名為小機(jī)靈的直升機(jī)重僅為1.8公斤，高0.5米，螺旋槳直徑1.2米，由兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)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(diǎn)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(zhuǎn)動(dòng)更加快速才行。小機(jī)靈直升機(jī)螺旋槳旋轉(zhuǎn)角速度可達(dá)2400轉(zhuǎn)每分鐘。水平移動(dòng)的速度為10米每秒，爬升速度為3米每秒。

這架小直升機(jī)靠頂部的太陽(yáng)能板進(jìn)行充電，電能儲(chǔ)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(gè)彩色相機(jī)和一個(gè)黑白相機(jī)。

這架直升機(jī)無(wú)法直接和地球聯(lián)絡(luò)，要通過(guò)毅力號(hào)進(jìn)行信息接力傳輸，因此，不能飛離毅力號(hào)太遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)航程僅300米，最遠(yuǎn)通訊距離為1公里。

其實(shí)，本次火星直升機(jī)項(xiàng)目主要是為了進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證，并沒(méi)有賦予太多任務(wù)使命?；鹦侵鄙龣C(jī)比軌道上的人造衛(wèi)星分辨率更高，而且比火星車更加靈活，機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)。一旦飛行成功，將為未來(lái)火星探測(cè)增加了全新的方式。

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六、不依賴陽(yáng)光的核能發(fā)電裝置

雖然太陽(yáng)能動(dòng)力也可以在火星上工作，但有時(shí)候會(huì)遇到問(wèn)題。當(dāng)火星上起沙塵暴的時(shí)候，火星灰塵會(huì)遮擋90%的太陽(yáng)光，灰塵也會(huì)覆蓋電池板。毅力號(hào)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(shù)臺(tái)高能耗儀器，所以它的能量需求很高，因此依靠太陽(yáng)能發(fā)電不能滿足用電需求。

毅力號(hào)火星車使用的是“放射性同位素?zé)岚l(fā)電機(jī)”（Radioisotope Thermoelectric Generator，縮寫為RTG）提供電能。其原理是，通過(guò)熱電偶裝置把放射性同位素钚-238衰變產(chǎn)生的熱直接轉(zhuǎn)換為直流電來(lái)提供火星車的行駛和各項(xiàng)儀器設(shè)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(zhì)不能用于核彈。RTG沒(méi)有活動(dòng)的部件，所以很可靠，并且放射性材料能夠持續(xù)發(fā)熱很多年。RTG除了用于為毅力號(hào)供電之外，余熱還能為毅力號(hào)的各種儀器以及自身供暖。

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

其實(shí)，這種利用核能的方式并不是太新鮮的科技。當(dāng)年阿波羅登月期間，就使用過(guò)這種發(fā)電裝置。

對(duì)于那些飛往火星之外的探測(cè)器，使用核能幾乎是唯一的選擇。大名鼎鼎的旅行者1號(hào)探測(cè)器、旅行者2號(hào)探測(cè)器、先驅(qū)者10號(hào)探測(cè)器、先驅(qū)者11號(hào)探測(cè)器以及飛掠冥王星的新視野探測(cè)器，都是采用RTG供電。

除此之外，探測(cè)木星的伽利略探測(cè)器、探測(cè)土星的卡西尼探測(cè)器也都是利用的RTG供電。唯一的例外是朱諾號(hào)木星探測(cè)器，朱諾號(hào)采用的是異常巨大的太陽(yáng)能板供電，據(jù)說(shuō)是由于當(dāng)年用于RTG的钚238儲(chǔ)備不足，不得已而采用權(quán)宜之計(jì)。

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七、1093萬(wàn)個(gè)地球人名字飛往火星

為了喚起公眾對(duì)這次火星任務(wù)的注意，依照慣例，美國(guó)宇航局開展了“發(fā)送你的名字到火星”的活動(dòng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向全世界征集，最終征集了10932295個(gè)名字。值得注意的是，這些名字不是以二進(jìn)制的形式存放在內(nèi)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。

這種活動(dòng)，美國(guó)宇航局已經(jīng)舉辦過(guò)多次，每當(dāng)有深空探測(cè)任務(wù)的時(shí)候，往往都會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)征集名字。最近的一次是2018年洞察號(hào)火星車發(fā)射的時(shí)候，同樣征集過(guò)一波，那次收集的人名數(shù)量大約有240萬(wàn)。2011年好奇號(hào)火星車發(fā)射的時(shí)候，征集到的人名數(shù)量才100多萬(wàn)。

八、人類探測(cè)火星的重要意義是什么？

火星是太陽(yáng)系內(nèi)與地球環(huán)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(dá)35攝氏度，當(dāng)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(tài)的水。

因此，在未來(lái)，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(guó)熱衷探索火星的重要原因。