NASA“毅力”号核动力火星车发射成功,还携带了一架直升机!

毅力号火星车主要的科学目标是探究火星生命存在的迹象。此外,还将担负采集火星岩石和土壤样本的任务,为未来火星采样返回任务做准备。

腾讯太空 文/乔辉

北京时间2020年7月30日19时50分左右,一枚“宇宙神五”(Atlas-V)运载火箭在美国卡纳维拉尔角航天基地发射升空,本次搭载的是美国宇航局“毅力”号(Perseverance)核动力火星车。

来自美国宇航局(NASA)的官方消息显示,其“毅力”号火星车已经成功完成了所有的发射和入轨步骤,开始向着火星前进。

“毅力”号火星车可看作2012年登陆火星的“好奇”号火星车的升级版,装备有最新型的科学探测仪器,更加侧重对火星潜在生命迹象的探索。

此外,“毅力”号火星车还将担负火星采样任务,采集火星的岩石和土壤样本,为未来的火星采样返回任务做准备。据悉,本次火星任务共耗资超24亿美元。

非常有意思的是,本次发射,除了“毅力”号火星车之外,还搭载了一架小型火星直升机,能够对火星车着陆区域附近进行空中侦查。一旦成功,将成为首架在其他行星上飞行的可控飞行器。

这架名为小机灵(Ingenuity)的直升机重仅为1.8公斤,由两个反向旋转的螺旋桨提供升力,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。有关这架小直升机的详细情况,后面有专门章节具体介绍。

全文结构如下:

  • 1一、美国本次火星任务和中国的火星任务有什么不同?
  • 2二、毅力号火星车和好奇号火星车有什么不同?
  • 3三、毅力号火星车携带了哪些重要科学仪器?
  • 4四、毅力号火星车有哪些关键的科学目标?
  • 5五、毅力号火星车的登陆地点在哪里?
  • 6六、翱翔在火星天空的首架人类直升机
  • 7七、不依赖阳光的核能发电装置
  • 8八、1093万个地球人名字飞往火星
  • 9九、火星陨石搭乘毅力号火星车重返老家
  • 10十、为什么今年三个国家扎堆发射火星探测器?
  • 11十一、无形的风筝线:美国深空探测网
  • 12十二、火星和地球的比较
  • 13十三、人类探测火星的悲壮历史
  • 14十四、火星上有哪些最著名的探测器?

一、美国本次火星任务和中国的火星任务有什么不同?

7月23日,我国用长征五号运载火箭把“天问一号”送入飞往火星的轨道,这是我国首次发射火星探测器,并计划利用这一次任务,完成对火星的绕、落、巡三种形式的探测,复杂度和难度都非常高。具体来讲,就是把火星轨道飞行器、火星着陆平台、火星车以及附属设备一次性送到火星,加起来重达5吨,只有长征五号火箭才能投送。

美国此次“火星2020”任务,主要是把“毅力”号火星车送到火星表面。火星车加上附属的登陆设备总重量为3.9吨,比我们的“天问一号”要轻一些,采用比长征五号运力小一些的宇宙神V541型火箭发射。

“毅力”号火星车长3米、宽2.7米、高2.2米、自重1025公斤,采用核动力驱动,稍展开来讲就是利用钚238原子核衰变释放的热量通过热电偶来产生电能,功率不算太大,仅能提供持续的110瓦的电能,但这种方式能够完全摆脱对太阳照射的依赖,能够持续稳定驱动火星车在火星上运动。除了核电池之外,还安装有两块锂离子充电电池,用来提供瞬时大功率用电。

图注:美国宇航局喷气推进实验室的技术人员正在将放射性同位素热发电机(RTG)安装到“好奇”号上。通过钚-238的衰变来提供任务所需要的电能。

但这种核动力也有其缺点,首先成本很高,其次随着时间的推移,放射性元素不断衰变,输出功率会逐年下降,但至少可以使用14年的时间。有关这种核电源的详情,后面有专门章节介绍。

我国的火星车重约240公斤,几乎是玉兔月球车重量的两倍,预计能工作至少90个火星日。这个重量介于NASA的“机遇”号火星车和“毅力”号火星车之间。具体来讲,“机遇”号火星车重185公斤,“毅力”号火星车重1000多公斤。

我国的火星车有四片太阳能板,六个车轮,两个高耸的天线,看起来就像一只蝴蝶。受火星上光照和温度的限制,火星车最佳的工作时间是在火星的中午前后,这时候阳光比较充足,能为其上搭载的科学仪器提供充足的电力。在白天阳光充足的时候,火星车还会把一部分电能储存在蓄电池中,以备夜间使用。

图注:中国火星探测工程发布天问一号1:1火星车。

除此之外,科学家还想到一种利用物质相变吸收太阳能的巧妙方法,在火星车顶部,有一个叫集热窗的装置,里面装有正十一烷。白天,温度升高的时候,这种物质吸收热量而熔化;夜间,温度下降的时候,这种物质释放热量而凝固。利用这种方法,可保证火星车安全度过漫漫寒夜。这种全新的利用热量的方式,在世界上尚属首次。

在科学任务细节方面,美国的火星探测任务和我国的火星探测任务也有差别,这里我们就不展开比较了。

二、毅力号火星车和好奇号火星车有什么不同?

图注:好奇号火星车(左)和毅力号火星车(右)(艺术图)。

文章开始部分我们也提到,“毅力”号火星车可看作此前已登陆火星的“好奇”号火星车的升级版,是在“好奇”号火星车的基础上进行定向设计而来,但两者在很多细节方面却很不相同。

“毅力”号比“好奇”号的车身更长,大约长13厘米。“毅力”号比“好奇”号更重,毅力号重1025公斤,好奇号重899公斤,多出来的重量主要是因为毅力号搭载了更重的设备。

“毅力”号火星车则安装有23个相机,大部分都是彩色的,“毅力”号的桅杆相机具有更好的变焦功能,能够拍摄高清晰的视频和全景图。而“好奇”号火星车只安装有17个相机,只有四个是彩色相机。

“毅力”号火星车还安装有两个麦克风,不仅能用来捕捉毅力号降落到火星上的声音,还能够用来倾听火星上的风声以及激光分析仪轰击岩石的声音。

“毅力”号的车轮和“好奇”号使用的材质一样,但轮径更大一点,宽度要窄一些。车轮上面的花纹也不一样,更加坚固。

“毅力”号的自主能力比“好奇”号更强,能够更加高效完成任务。

三、毅力号火星车携带了哪些重要科学仪器?

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、毅力号火星车的登陆地点在哪里?

图注:毅力号将降落在火星的北纬18度,西经77度区域(绿圈);好奇号的降落区域(红圈)。

“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。

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。

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。

图注:杰泽罗撞击坑直径49公里,在远古时期曾经充满了水(艺术图)。

六、翱翔在火星天空的首架人类直升机

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。

七、不依赖阳光的核能发电装置

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。

图注:美国宇航局喷气推进实验室的技术人员正在将放射性同位素热发电机(RTG)安装到“好奇”号上。通过钚-238的衰变来提供任务所需要的电能。

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。

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。

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。

八、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。

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)。

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。

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。

九、火星陨石搭乘毅力号火星车重返老家

科学家估计,在大约60万年前,一颗小行星或彗星撞击了火星,飞溅出的火星岩石在大约1000年前坠落在阿曼沙漠,1999年才被科学家发现,这是一块典型的玄武岩,其中含有辉石、橄榄石和长石矿物质。该岩石的代号为SaU 008,形成于大约4.5亿年前。

图注:毅力号火星车将搭载这块火星陨石的切片,目的是为了利用这块火星岩石对其紫外光谱仪SHERLOC进行校准。

“毅力”号火星车将搭载这块陨石的切片,目的是为了利用这块火星岩石对其紫外光谱仪SHERLOC进行校准。

如果紫外光谱仪在停留火星期间出现系统错误,他们将难以察觉,因此把火星岩石切片放在“毅力”号前方,让它不时接受扫描。地面控制人员可根据扫描结果判断这台仪器是否工作正常。

十、为什么今年三个国家扎堆发射火星探测器?

你如果关注太空,就会知道今年有三个国家向火星发射探测器:我国的“天问一号”探测器、美国的“毅力”号火星车和阿联酋的“希望”号探测器。其中,“希望”号探测器已于7月20日率先发射升空。“天问一号”也已于7月23日发射升空,目前已飞到距离地球150万公里之外,也正在飞往火星的轨道中。

由于新冠疫情的原因,“毅力”号火星车的发射日期已经受到了影响,但如果错过了8月15日这个最后的窗口日期,那么就要继续等两年,这是为什么呢?

我们知道,火星轨道在地球轨道的外侧,它们共同绕太阳运动。火星绕太阳一圈大约需要2个地球年,火星运动的比地球慢,因此二者之间的相对位置在时刻在变化。最远时两者之前的距离大约4亿公里,最近时大约5500万公里。那,是不是说当两者之间距离最近的时候才发射火箭呢?答案是否定的。上面我们也说了,地球和火星的相对位置在时刻变化,我们不能有“刻舟求剑”的错误思维。

其实,早在1925年,有一位名叫霍曼的工程师就提出了一种让航天器变换轨道的最优方案,后来被称为“霍曼转移轨道”。具体到从地球飞往火星,这是一种连接地球轨道与火星轨道的椭圆轨道。如果选取的发射时间窗口合适,当探测器沿着霍曼轨道运动到与火星轨道交点时,火星也能恰好运行到这个交点附近。对于发射火星探测器而言,这个时间窗口大约每26个月才出现一次。因此,错过今年的发射窗口,就要再等两年!所以,今年才出现扎堆发射火星探测器的情况。例如,欧盟和俄罗斯联合研制的火星探测器,本来也是今年发射,但由于技术原因被迫推迟,只能等到2022年发射了。

这里要强一下,这种最优的轨道设计不是最节省时间,而是最节省燃料,目的是为了最大限度提高有效载荷。理论上,采用霍曼转移轨道,从地球到火星要飞八个多月左右的时间。当然,探测器实际飞行的轨道往往并不是严格的霍曼转移轨道,实际飞行时间稍短或稍长。

十一、无形的风筝线:美国深空探测网

火星探测器离开地球,在飞往火星的过程中需要精确测控。由于探测器的距离很远,发出的信号随着距离的增加而衰减,这就需要有强大的深空测控能力。

最著名的要数美国深空网(DNS),这是由美国喷气推进实验室管理的一个先进的测控网,是为了对执行月球、行星和行星际探测任务的航天器进行跟踪、导航与通信而建立的地基全球分布测控网。

为了克服地球自转影响,实现对深空航天器的连续测控覆盖,深空测控网的布局通常是在全球范围内经度上间隔约120度,这样就可以确保对距离地球表面3万公里以上的航天器进行连续跟踪。

美国深空网由在全球按经度间隔120度分布的三个深空通信综合设施组成,分别位于美国加州的戈尔德斯通、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉。深空网的操作控制中心位于美国加州帕萨迪纳的喷气推进实验室。美国深空网是目前世界上规模最大、能力最强的深空测控系统。

图注:位于美国加州戈德斯通的70米深空网天线。

图注:位于西班牙的马德里的70米深空探测天线。

图注:位于澳大利亚堪培拉的70米直径深空探测天线。

除了美国深空网,欧空局也有自己的全球性深空网。俄罗斯、日本、印度、意大利、德国等国家也研制建设了自己的深空测控设备,但并未形成完整的全球性深空网。

值得一提的是,近年来,我国为了深空探测的需要,也建立了自己的深空网。我们的深空通信综合设施主要是喀什深空测控站、佳木斯深空测控站和位于阿根廷的深空测控站。

目前,我国的深空网已成为继美国深空网、欧空局深空网之外,又一功能完备的全球性测控网。

十二、火星和地球的比较

太阳系内有八大行星,其中水星、金星、地球和火星属于岩石行星,探测器可以在上面着陆,木星、土星、天王星和海王星属于气态行星,没有固体表面。

在四颗类地行星中,金星和地球的大小最为接近,但除了大小之外,其他方面就很不一样了,金星表面的温度可达400摄氏度,甚至可以让铅熔化,人类是无法在这样的环境中长期驻留和生存的。

火星的直径相当于地球的一半,表面引力相当于地球的三分之一,大气压相当于地球的百分之一,赤道地区最高温度甚至可达35摄氏度,但全球平均温度较低,为零下63摄氏度。

另外,火星的自转周期和地球非常接近,为24小时40分钟。像地球一样,火星也是倾斜着自转的,倾角为25.2度,地球为23.5度,两者也非常接近。由于是倾斜着自转,也就像地球一样,有四季交替现象。

值得注意的是,火星的大气绝大部分是二氧化碳,含量高达95%!其余是氮气等气体,没有氧气。因此,未来飞往火星的宇航员必须身穿宇航服才能在上面活动。

十三、人类探测火星的悲壮历史

迄今为止,人类已尝试发射了47次火星探测。其中,美国22次,前苏联和俄罗斯共19次,日本1次,欧洲2次,印度1次,阿联酋1次,中国1次。完全成功和部分成功共计23次(阿联酋的希望号、中国的天问一号以及美国的“毅力”号都在飞行的途中,成功与否先不做统计)。

其中,前苏联共尝试发射17次火星探测器,成功和部分成功仅5次,成功率仅29%。因此,火星有探测器坟场的称呼。

除了本次“毅力”号之外,美国向火星发射了22次探测器,其中成功了15次,失败了7次;欧空局向火星发射了2次,成功了2次;俄罗斯向火星发射了2次,失败了2次;日本向火星发射了1次,失败了1次;印度向火星发射了1次,成功了1次。阿联酋的希望号和中国的天问一号在飞往火星的途中。

随着科技的进步,近些年火星探测器的成功率已经有了很大的提高。

十四、火星上有哪些最著名的探测器?

当前,最著名的火星探测器要数“好奇”号火星车了,“好奇”号火星车自从2012年着陆火星以来,一直稳定工作,靠放射性同位素发电机提供能量。

图注:美国三代火星车大小比较,毅力号火星车和好奇号火星大小相当。

2004年着陆火星的“勇气”号和“机遇”号火星车也是大名鼎鼎,两辆火星车的设计寿命只有90天,但两者都大大超期服役。其中,“勇气”号运行到2010年,“机遇”号更是运行到2018年。

1976年着陆到火星的“海盗一号”和“海盗二号”着陆器也非常有名,这两枚着陆器极大提高了人类对火星的认识。

2018年着陆火星的“洞察”号探测器是目前最新的着陆器,目前正在通过监听火星的星震和内部热流来研究火星的整体结构。

除了这些火星车和着陆器,在火星轨道上运行的著名轨道器(火星人造卫星)有“2001火星奥德赛”;“火星快车”以及“火星勘测轨道飞行器”等等。

十五、人类探测火星的重要意义是什么?

图注:火星的地形地貌(来源: NASA)。

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。