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“好奇号”开始火星之旅

2012-09-03 11:54 作者:苗千来源:三联生活周刊
作为地球的近邻,火星是人类最有可能移民的星球。

8月6日,美国“好奇号”火星探测器成功登陆火星

“好奇号”火星探测器在经过了36周、2.48亿公里的太空旅行之后,在2012年8月6日以一种独特的方式降落在火星表面,即将开始它在火星上为期两年的科学考察。这个消息迅速传遍全世界,让人们的目光暂时从奥运会赛场转向天空,关心起这个即将在红色行星上探险的,迄今为止人类最复杂、最昂贵的探测器。

在2009年美国航空航天局(NASA)举办的一次征文活动中,获胜者,12岁的美国华裔女孩马天琪(Clara Ma)命名这个最新的火星探测器为“好奇号”,它的使命与之前几个被送上火星的探测器并没有太大不同,包括探索火星地表的矿物成分,火星现在的水循环过程以及火星上大尺度时间范围内的气候变迁过程,同时它也需要测量火星表面的辐射强度,寻找火星上是否有生命存在过的证据。总之,它要追溯火星的历史,勘测现状,更需要预测火星的未来。这个花费了25亿美元的探测器大约有3米长,重达900公斤,其中包括80公斤的科学探测仪器,它的体积和重量都远超人类之前发射过的任何火星探测器。把这样一个庞然大物安全、准确地运送到另外一颗行星上去,本身就算得上人类工程科学的一个奇迹。尽管“好奇号”的科学探测历程才刚刚开始,但是它“完美无瑕”的降落过程犹如一部科幻电影,已经被它的设计者和发射者——加州理工学院的喷气推进实验室和美国航空航天局看做一个伟大的成功。

“好奇号”从火星大气层的外围降落到火星表面大概需要7分钟的时间,而从火星发射的电磁波到达地球就需要14分钟左右,地球无法对“好奇号”的降落进行实时指挥,一切只能依靠计算机自动进行,因此美国航空航天局称“好奇号”的降落为“恐怖7分钟”。在接近火星大气层上空时,“好奇号”与推进系统分离,打开绝热罩,同时由一套名为“MEDLI”的仪器探测外部温度。由于“好奇号”的速度极快,在与火星大气层的摩擦过程中可能会产生极高的热量,同时MEDLI也需要测量航天器与火星大气层的相互作用过程中的角度变化供之后火星探测器的设计参考。在刚刚进入火星大气层时,航天器以大约每秒钟5800米的速度向火星地面降落,这时两个各重75公斤的钨块从航天器中弹出,以此来改变重心,同时航天器中还有一个小型的推进器调整自身方向和角度来提高降落精度。

装载着“好奇号”的航天器以极高的速度撕裂火星的大气层,同时小型推进器又对于角度和方向进行微调,航天器以一种S形路线进行降落。在降落过程中,航天器的外部可能会达到2100摄氏度的高温,而由酚碳热烧蚀材料制成的隔热罩可以保护航天器不会融化,在航天器内部的“好奇号”火星车则可以一直保持着0~25摄氏度的温度。由于火星大气层的作用,航天器降落的速度被大大降低,在降落255秒之后,距离火星地面大约11公里,此时航天器的速度降低为每秒405米,但是以这种速度降落到火星表面仍然会损坏“好奇号”探测器。此时,航天器的降落伞会打开,这个长50米、半径约为10米的超级降落伞虽然与之前的火星探测器降落伞使用的材料相同,但是足有之前的两倍大。这个超级降落伞会使航天器继续减速,在距离火星地面8公里处,航天器下降的速度约为每秒140米,这时候包裹航天器的绝热罩飘走,航天器开始拍照。

为了进行精确的降落,航天器的6个雷达系统开始进行测量自身相对于火星地面的高度和速度。航天器脱掉绝热罩80秒之后,与减速的超级降落伞脱离,进行精确降落,此时航天器距离火星地面1.6公里,速度降为每秒钟80米。在此前的火星探测器降落过程中,采用了气囊方式或是发射反向火箭方式进行降落,但是由于“好奇号”探测器太大太沉,这两种方法都无法使用,只能采用别出心裁的“空中起重机”方式进行“软着陆”。

在航天器与降落伞脱离之后,航天器自身的8个减速火箭点火,在远离降落伞的地方进行降落。这种降落方式可以使“好奇号”探测器的轮子不受震动,航天器将系在7.5米长的尼龙绳索上的“好奇号”探测器放下,以极低的速度(每秒钟0.75米)下降,直到“好奇号”落在火星地面。由于好奇号的6个轮子的特殊构造,即使是落在陡坡或是岩石上也都可以顺利落地。因为“好奇号”与航天器的其余部分重量差不多,因此当航天器感觉到自身重量减轻一半时,就可以判断“好奇号”已经着陆,它将与“好奇号”分离,并且在远离它至少150米的地方落地。

像小汽车一般大小的“好奇号”安全降落在火星表面,降落之所以被看做一个工程学的奇迹,不仅在于它降落的过程复杂周全,还在于其落点控制的精确程度极高,被控制在20公里以内。此次“好奇号”正好降落在之前指定的重点研究区域——位于火星赤道附近大约150公里宽的盖尔环形坑内部。火星表面有着数量众多的环形坑,但是盖尔环形坑的特殊之处在于它的内部中心有一座山,名为夏普山(Mount Sharp),这是为了纪念在2004年去世的行星地质学家罗伯特·夏普(Robert Sharp)而命名的。夏普山大约有5500米高,略高于周围的环形山。至于为什么在盖尔环形坑内部会出现一座山,科学家们目前还不是十分清楚,猜测它应该主要由火星沉积物构成,经过了火星上沉积和侵蚀两个漫长的时期,在时间与压力的双重作用下形成了这种独特的地形,这也给科学家们一个研究火星历史的好机会。“好奇号”身手不错,可以越过75厘米高的障碍物,它会试着爬上这座山较低的部分进行探测,同时“好奇号”上携带的仪器也可以掘开火星地表以下10厘米的地面,分析其化学成分。科学家们相信,这座山的各个叠层中隐藏着火星几亿年的历史。根据卫星探测,在夏普山的底部有液态水曾经参与塑造的痕迹,那里有黏土和硫酸盐的成分,形成了类似于地球上的盐湖环境。火星上何时曾经有过大量的液态水,其表面的液态水又是怎样参与塑造了火星的地表地形,这些都需要“好奇号”的进一步调查才有希望找到答案。

人类对于火星的探索由来已久,这个与地球相似的行星与地球大约形成于同一时间,有一个相对于地球来说很薄弱的大气层,又因为地表富含氧化铁而呈现出红色。火星的直径大约只有地球的一半,是月球的两倍,在这个不算大的行星上却有着太阳系内的最高峰,接近22公里高的奥林匹斯山(Olynpus Mons),几乎是地球最高峰珠穆朗玛峰高度的3倍。

人类最初产生对火星的兴趣几乎全都是出于误解,早期人们在地球上通过光学望远镜观察火星,看到火星上阴影的变化,误以为火星上有河流沟渠和植物,甚至还有“火星人”的存在。即使后来证明这些猜想全都是误会,人类仍然对这个近邻怀有浓厚的兴趣。火星的两极和中纬度地区有冰盖,地表则有丰富的氧、硅、金属和组成岩石的各种元素,人类希望在未来,火星可以为地球提供各种矿产;长久以来,很多人也一直在幻想这个类地行星可以成为地球人移民外星的第一个目的地。

从20世纪60年代以来,人类就向火星发射过各种探测器,包括在火星轨道上运行的人造卫星和降落在火星表面的火星探测器,虽然其中的大部分都失败了,现在还有三颗人造卫星与火星的两个小卫星一起运行在火星轨道上。而美国航空航天局在2003年发射的第二代火星探测器——“机遇号”,在2004年到达火星表面之后,现在仍然在火星正常工作。

火星虽然属于类地行星,但是它现在的自然环境非常不适合人类生存。火星上虽然有水存在,但是火星水可能太酸太咸,无法直接饮用。火星虽然也有大气层包裹,但是相比于地球,火星大气主要由二氧化碳、氮气等组成,只有少量的氧气和水蒸气,而且火星大气的密度不到地球的1%。因为没有磁气圈,加之大气流动不充分,因此行星表面没有有效的热传导,也无法抵抗太阳风的侵袭。火星的地质活动极少,地下的矿物质不容易被交换到地表,这些因素都使火星成为一个非常不适合人类居住的行星。但是有证据显示,火星表面曾经存在过大量的液态水,环境也曾经比较适合人类居住。那么火星的自然环境是如何一步步恶化的?从长远的角度考虑,火星的自然环境是否可能被改造为适宜人类居住?作为地球的近邻,火星是人类最有可能移民的星球,研究火星的气候变迁,也有助于人类了解地球自身的气候变迁规律。

根据原计划的保守估计,“好奇号”会在火星表面正常工作一个火星年(大约相当于两个地球年),但是科学家们预测它将可以在火星表面工作至少两个火星年甚至更长而无需担心能源问题。“好奇号”自身携带的核能电池利用钚-238衰变产生的热能和电能,足够它在火星上工作10年以上。“好奇号”具有两套照相系统,全身上下共有17个照相机,通过在火星轨道上的人造卫星的中转,人类已经接收到了它发回的很多照片和数据。坐落在美国加州、西班牙、澳大利亚的三个接收台将会在未来的几年里收听来自火星的消息——“好奇号”真正的火星之旅,才刚刚开始。

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网络编辑:刘暮彤

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