发射成功!毅力号火星车带着钻机去火星打洞

北京时间7月30日19时50分,美国使用宇宙神-5运载火箭从卡纳维拉尔角航天发射场,成功将“火星2020”任务发射升空,预计明年2月18日降落在火星表面。该探测器携带了一台名为“毅力号”的火星车和1架直升机,主要任务是寻找可能存在的火星生命。

宇宙神-5火箭点火起飞视频

宇宙神-5火箭点火起飞

“毅力号”降落法有继承也有创新

目前,美国已经实施了多次探测火星任务,因此从地球起飞、奔向火星到火星捕获的整个过程基本上不会有悬念。“火星2020”任务能否成功首先取决于能不能顺利着陆。

发射前,美国宇航局局长吉姆·布里登斯廷(右)与装载有“火星2020”任务的宇宙神-5火箭合影

发射前,美国宇航局局长吉姆·布里登斯廷(右)与装载有“火星2020”任务的宇宙神-5火箭合影

发射前,多部无人值守的摄录机准备就绪

美国宇航局将它归纳为进入、下降和着陆过程(EDL)。“火星2020”的着陆方案和好奇号火星车一样,包括降落伞、下降飞行器和一种被称为“天空起重机”的方法。

进行封装的毅力号火星车

封装完成的毅力号火星车

毅力号火星车封装到火箭整流罩中

在着陆前的最后几秒钟,用一个火箭反推悬浮的天车,把火星车吊挂着放到地面上。这种着陆系统的发明,让人们可以在火星表面着陆一个非常大、非常重的探测器。当然,“火星2020”也不是完全沿用“好奇号”的着陆技术,而是采用了一些新技术,可以达到更高的导航精度和更丰富的数据回传。

为此,“火星2020”任务小组打算采用新的方法,让“毅力号”降落到尽量接近目标区域的位置。这项技术称为“距离触发”,可以把椭圆形预定着陆区的尺寸减小50%以上。采用这项技术后,如果研究人员选定了一些价值很高、平地面积却很小的目标区,也能成功降落下去。

“距离触发”技术的关键,是选择合适的时机来释放下降飞行器的降落伞。早期的任务中,探测器会在火星大气中摩擦减速,达到预期速度后尽早开伞。“火星2020”则不然,它要根据探测器相对于预定着陆位置的距离开伞。如果飞船有可能错过目标区,就要提前开伞;如果可能无法抵达目标区,就要错后开伞。

降落过程中,毅力号火星车的车轮逐渐展开

地形相对导航技术和嫦娥四号探测器所采用的降落导航技术有相似的地方。“毅力号”特别适合于地形复杂、有陡坡和 大块岩石、比较危险的地方。

它的工作原理很容易解释:首先是绕着火星飞行的探测器拍摄和绘制了着陆地点的地图,把可能的风险都标注出来。这张地图会存储在“毅力号”的电脑里。开伞以后,“毅力号”会打开相机拍摄火星地面情况,把实际看到的地表与存储的地图相对比。

如果“毅力号”发现自己正向着危险地表接近(判断范围大约是300米边长的区域),可以改变方向,选择一个更加安全的区域降落。

性能强大的毅力号火星车

“毅力号”预计2021年2月18日在火星表面着陆,然后实施为期一个火星年(687个地球日)的探测。具体内容包括4个目标。

毅力号火星车在火星表面工作示意图

目标一:寻找可居住性,发现在火星远古时期可能支持微生物生存的环境中形成的岩石,或被微生物改变的岩石,确定火星过去确实存在着能够支持微生物生存的环境。

目标二:寻找生物特征,在那些适宜居住的环境中寻找可能存在的远古微生物迹象,特别是在那些能长期保存生命迹象的特殊岩石中。

目标三:暂存样本,从大约30个有希望找到生物痕迹的岩石和表土目标上钻取样本,并将其存储在火星表面的具体位置。

视频演示毅力号火星车携带的机智号直升机在火星上互拍

目标四:为载人登陆做准备,测试从火星二氧化碳大气中产生氧气的能力。火星大气非常稀薄,而且二氧化碳含量高达96%。人类肯定不能直接呼吸火星大气,但是二氧化碳的存在,让人们看到了制取氧气的希望。假如能够用火星大气制氧,未来的火星基地就可以自己解决呼吸问题,还可以支持更大规模的火星科考与资源开发。

在石头上打眼的冲击钻

在火星表面作业中,“毅力号”的主要工作就是在石头上打洞。具体分为以下几个步骤:

钻取岩石的示意图

第一步:找到有价值的岩石。科学家们特别希望能找到在水中 形成或被水改变的岩石。水是生命的关键,如果这些岩石含有有机分子,那就更有趣了。

第二步:采集岩样。一旦科学家确定了一个感兴趣的岩石目标,“毅力号”就会动用钻机,钻出一个核心样本。钻机的原理和我们在地球上给空调打孔的水钻一样,但考虑到“毅力号”的承载能力和发电功率都很有限,而且也不可能加水冷却及润滑,它的钻取深度只有2英寸(大约5厘米)。

在泥地上采样,需要用特制钻头

第三步:密封岩石样本。岩芯样品钻取下来后,就要放进预先清洗过的样品管里,盖上盖子。按照地球上岩石的密度计算,每个样品重约半盎司(15克)。

第四步:携带样品。存好样品之后,“毅力号”会把管子插进自身携带的一个储存架上,然后带着它继续行进,直到任务小组在火星表面选好一个临时存储位置为止。因为这些样品来之不易,所以任务小组把这些临时位置称为“战略位置”。

第五步:保存样本。将火星样本放在火星表面的一个位置,等待 2022年美国宇航局发射另一个探测器来火星。这个探测器具备从火星表面起飞的能力。它会找到“毅力号”存放样品的地方,把它取走返回地球。

这段动画向人们展示后续任务如何将毅力号火星车采集到的样本带回地球

与众不同的“毅力号”机械臂

钻探工作的主角是“毅力号”的机械臂。这条2.1米长的机械手臂可以像人的手臂一样运动。它有肩膀、肘部和手腕关节,保证了最大限度的 灵活性。这只手臂可以让漫游车像人类地质学家一样工作,用“手”或转 塔握住和使用科学工具。漫游车的“手动工具”可以从岩石中提取岩芯,拍摄显微图像,分析火星岩石和土壤的元素组成和矿物组成。

这条机械臂有5个自由度,是通过名为“旋转执行器”的微型马达实现 的,这5个自由度是肩关节、臂关节、肘关节、腕关节和转塔关节。手臂末端转塔就像一只手,可以握持相机、矿物和化学分析仪,用来研究火星过去的可居住性,并选择最具科学价值的样本进行储存。

上面就是有关“火星2020”任务的一些“干货”。现在,就让我们期待它在火星上执行的任务吧。

文/李晨风

原标题:《发射成功!毅力号火星车带着钻机去火星打洞》