火星上自由漫步的“精灵”
  • 来源:科普时报
  • 作者:郑永春
  • 2020-07-25 09:42


“旅居者号”火星车

“好奇号”火星车在自拍

“毅力号”火星车效果图

“天问一号”火星车

当我们还在仰望星空,以为火星遥不可及的时候,火星探测已经走过了50多年的历史。在40多次火星探测任务中,既有环绕火星的轨道器进行遥感探测,也有登陆火星表面的着陆器进行定点探测,还有4辆小车在火星表面巡视勘察。在各种类型的火星探测任务中,以火星车登陆火星毫无疑问是其中难度最大的,代表了当今火星探测的最高水准。

2020年,中国加入“探火”队伍,发射“天问一号”火星探测器,这其中就有一辆中国人自主研制的火星车,计划于2021年初登陆火星。

探路先锋

2015年上映的科幻大片《火星救援》中,救了主角了马克一命的火星车并非凭空捏造出来的,而是1996年发射升空,1997年7月4日登陆的火星车“旅居者号”。

“旅居者号”是火星探路者号(Mars Pathfinder)计划的一部分。这是一辆小型火星车,仅10.6千克。展开后的火星车长65厘米,宽48厘米,高30厘米。因为个子太矮,它拍摄的照片总是仰视视角,火星上的石块看起来都很奇怪,特别高大。

“旅居者号”的设计寿命只有一星期。它的上甲板铺设了一层太阳能电池,所有的能量就来源于此,也无法将信号直接发送给地球,只能通过着陆器转发才能与地球通信。“旅居者号”走得很慢,最快时也只有1厘米/秒。由于重量限制,“旅居者号”的探测设备也很简单,只在火星车后部安装了1个简易的彩色摄像头和1台能谱仪。

作为第1代火星车,“旅居者号”虽然个子小,功能简单,走得也不远,但它却为此后更复杂、功能更强大的火星车,担当起了“探路先锋”的重任。

火星马拉松

“勇气号”和“机遇号”是一对“双胞胎”火星车,不仅外形长得一模一样,连携带的探测设备也完全相同,分别于2003年6月10日和7月7日前后脚发射,2004年1月4日和1月25日先后登陆火星。

作为第2代火星车,勇气号和机遇号各重170千克,是索杰娜的16倍。而且,它们的个子也要高得多,桅杆上的单色导航相机的视场更宽广,拍到的照片让地球上的工作人员看起来就像身临其境,可以更方便地操控火星车。

车身重了,可以携带的仪器设备也就多了。作为机器人“地质学家”,勇气号和机遇号的主要目的,是分析岩石的物理特性、化学成分和矿物组成。

令人惊喜的是,作为一款低成本航天器,勇气号和机遇号当初的设计寿命只有短短3个月。但是,它们的表现远远超过了人们的预期。勇气号运行至2010年,工作了6年多,跑了7.7千米。机遇号一直运行至2018年,工作了整整15年,是设计寿命的近60倍。而且,机遇号还是宇宙“马拉松”比赛的冠军,它总计跑了45.16千米,超过一个全程马拉松的长度。

科学实验室

好奇号是第三代火星车,更重、更大,功能也更强大。它的外形大小与一辆私人轿车差不多,重约900千克,相当于勇气号或机遇号的5倍。

好奇号没有太阳能电池板,是第一辆没有“翅膀”的火星车,它采用同位素温差发电机,通过放射性元素的衰变进行发电。由于不再受到太阳光的约束,登陆点的选择范围更宽,只要在南北纬60°以内,海拔1千米以上的区域都可以选择。

好奇号的设计寿命为2年,但自2012年8月登陆至今,始终状态良好,是唯一仍在正常运行的火星车。虽然好奇号走得很慢,最快的时候也不到1厘米/秒。但经过长途跋涉,目前已经行驶了22千米。

好奇号火星车上配备了9台科学仪器和1个火星环境探测包,光是相机就有3台。它的机械臂功能强大,能抓、能铲、能钻探,还能研磨、筛选,把研磨后的样品转移到测试盒,添加化学试剂,进行加热,测量光谱数据,得到显微图像。因此,地球上普通岩矿实验室能完成的常规分析任务,好奇号都能独立完成,就像把一个功能完整的实验室,搬到了火星上。

中国来了

2020年的夏天,是每隔26个月一次的火星发射窗口,将有多个探测器奔赴火星。

美国人自然不会错过,他们计划启用另一台空中吊车,携带另一辆火星车登陆火星。与之前主要用来找水的火星车不同的是,这辆火星车的探测重点,是寻找那些与生命有关的标志物,回答火星上究竟是否有过生命。这辆火星车被命名为“毅力号”(Perseverance)。

“天问一号”是中国继探月工程之后,首次开启行星探测的大幕,踏出自主探测火星的第一步。中国是火星探测的后来者,但后来不代表落后。

经过半年多的飞行,天问一号计划于2021年初抵达火星,然后择机释放着巡组合体,进入火星大气层,实现登陆火星。“天问一号”的巡视器(火星车)将在探测器到达约2-3个月后,在火星表面进行软着陆,候选着陆点为乌托邦平原(Utopia Planitia)。

“天问一号”火星车搭载了地形地貌的导航相机,还有探测火星土壤结构和水兵的探地雷达和火星表面成分分析测试仪和多光谱相机,以及火星表面磁场探测的探测仪和火星气象测量仪,可探测着陆区的流水地貌、火山地貌、风蚀地貌、撞击坑地貌,分析表面物质的成分,并测量气象参数,探测地下结构。如果一切顺利,明年2月份我国的火星车将可以预报火星天气。

火星上这辆源自中国的小车,承载了中国人对红色星球的梦想,它将让中国人从火星探测看台上的观众,成为航天竞技场上的一位选手。

(作者系中国科学院国家天文台研究员,微博@火星叔叔郑永春)


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