NASA毅力号火星车发射,美国56年来首探火星生命,2020火星三杰齐了

智东西 · 2020-07-31
NASA第9辆火星车上天!这次的目标是寻找火星历史微生物​。

编者按:本文来自微信公众号“智东西”(ID:zhidxcom),作者:信仪,36氪经授权发布。

北京时间7月30日19时50分(美国东部时间7时50分),搭载NASA毅力号(Perseverance)火星车的Atlas V-541火箭发射升空!

▲搭载NASA毅力号火星车的Atlas V-541火箭发射升空

在此之前毅力号其实早已“蠢蠢欲动”,但奈何在运载火箭测试环节问题频出,NASA不得不将毅力号的发射时间三度推迟,导致美国这次没赶上发射时间上的“第一”,而是压了个“大轴”。尽管毅力号出发得最晚,但它的技术积累确是最深厚的。

▲Atlas V-541火箭上搭载摄像机视野发射图像

北京时间7月20日凌晨5时58分14秒,阿联酋希望号火星轨道器发射升空。

北京时间7月23日12时41分,中国天问一号火星探测器发射升空。

▲阿联酋希望号(左1) 中国天问一号(右1)

自此,选择在今年7~8月火星探测器发射窗口期“扎堆”发射探测器的三个国家的发射任务都圆满启动。我们期待中国、美国、阿联酋三国的火星探测器都可以成功抵达火星,在这颗红色星球周围“相聚”。

果美国这次任务顺利进行的话,毅力号火星车从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的发射台出发,将经历长达7个多月的旅程,到达火星上的杰泽罗陨石坑(Jezero Crater, Mars)着陆,执行美国的第9次火星着陆任务。

这次任务与之前不同,目的是为了精确探索火星生命,这次NASA瞄准了火星上的微生物样本,准备进行一次火星生命“地毯式搜索”。

▲发射前拍摄的位于卡纳维拉尔角空军基地的发射台

之所以选择杰泽罗陨石坑着陆,是因为美国曾通过此前的火星探测器发回的信息显示,杰泽罗陨石坑大约有45公里宽,坐落在伊希地平原的西侧,那是一个火星赤道以北的巨大盆地,由一次遥远的陨石撞击火星表面造就,这里极有可能存在过火星微生物。

美国计划毅力号执行任务的时间也是至少一个火星年(约687个地球日),毅力号将在白天工作、夜晚休息,这次主要的任务是通过自身携带的设备寻找形成于35亿年前的火星三角洲上的古代微生物生命迹象,如果有可能的话,毅力号还将通过自身携带的小火箭将火星样本送回地球,供科学家们将样本带回实验室研究。

▲杰泽罗陨石坑

这张俯视图由轨道上拍摄的NASA图片制成,蓝色圆圈表示的是火星车将要着陆的区域,图片中心的弧形山丘高约1600英尺,是杰泽罗陨石坑的边缘部分。

从1964年至今,美国人探索火星已多达56个年头,而这次发射的毅力号为了探测火星生命,与先前部署在火星上的8台火星车有何不同?NASA又是如何通过毅力号搜寻火星历史上存在微生物痕迹的?我们一起来看。

01 毅力号冲向太空为探测火星生命

火箭发射的威力总是巨大的,Atlas V的DR-180主引擎和4个固体助推器点火产生了1020万牛顿(230万磅)的推力,将火箭发射升空。

▲NASA火星车发射简要流程动画

在起飞后不久,火箭会开始改变行驶角度,以进入正确的飞行路线,同时最大程度减少飞行中的动态阻力。

据悉,有着18年“飞龄”的美国老牌火箭Atlas V-541(阿特拉斯5号)此前曾执行过6次发射任务,其中一次就是在2011年11月26日发射好奇号火星车,此外它还曾发射过3颗美国国家安全卫星、2颗气象卫星。

这个威力巨大的老牌火箭在起飞后35秒就能达到1马赫数的音速。

在1分49秒时,系统放弃火箭助推器,接下来2.5分钟的飞行将持续3分27秒。

在第4分22秒时,助推引擎关闭,这个时候阿特拉斯5号会以每小时13470英里的速度飞行21600公里,高度接近156公里(97英里),向下距离约为497公里(309英里)。

6秒钟后,阿特拉斯的半人马系统启动,释放助推器,现在这个设备的重量仅为升空时的5%多一点了。10秒后,中心主发动机开始第一次燃烧液氧。

▲火箭&助推器分解结构

在飞行约11.5分钟时,主引擎MECO-1切断,这时候进入的区域位于海岸上空,为万一发生危险后的逃逸行为做准备。

大约8分钟后,切断最后的主引擎,为航天器分离做准备。

在飞行了大约57.5分钟的时候,中心发动机释放航天器,航天器将以超过41000公里/小时(26000英里/小时)的速度行驶,向火星进发,开始为期7个月的旅途。

而在此期间,所有想要进行着陆探测的火星探测器都将穿过火星大气层,这一环节需要7分钟,由于环境等各种困难条件的搭载,这7分钟也被称为恐怖7分钟或黑色7分钟,一旦火星车安全坚持过这段时间,基本就会安全着陆。

▲火星车着陆路径图

这次NASA送上太空的探测车“毅力号”的名字是由一名13岁学生的想法命名的,这个孩子名叫亚历山大•玛瑟(Alexander Mather),他说:

▲13岁学生亚历山大•玛瑟(Alexander Mather)

“以往美国的火星探测器的名字比如“好奇”“洞察”“勇气”“机遇”都是人类的品质,而唯独缺少了以“毅力”这个品质命名的探测器,而毅力才是航天工作最需要且必须具备的品质。”

▲“毅力”一词的涵义

毅力号的设计基于 NASA 成功的火星科学实验室任务架构,包括其“好奇号”探测器和成熟的着陆系统,但在此基础上做了升级。

像2012年登陆的漫游车“好奇号”一样,“毅力号”有一个摄像头桅杆和一个长长的机械臂,上面装有一系列工具,可以帮助他们追踪火星上难以捉摸的生命迹象。

▲毅力号火星车

它的任务不仅要寻找火星上远古宜居条件的迹象,还要寻找过去微生物生命本身的迹象。

02 尝试在火星上“造氧”,无人机也将在火星表面飞行

为了载荷能力提升,美国可谓是将火星车“越做越大”,最初的1976年到达火星的“海盗1号”与“海盗2号”火星车的质量还仅有91千克,而2012年到达火星的“好奇号”火星车大小已经像一辆“MINI Cooper”了,这次的六轮NASA火星漫游车“毅力号”足足有一辆SUV大小。

NASA给这辆“能装”的火星车配备了仪器“七件套”,除了火星旅行标配“相机、雷达、激光”等设备,NASA还让它带了个先进的钻井系统、一个微型直升机,还有一个制氧系统去火星,妥妥把“毅力号”安排成了一个“火星工程师”。

据悉,毅力号此次配备了5种成像工具:首先是桅杆头上的 SuperCam(位于大的圆形开口中),其次是两个位于桅杆下方灰框中的 Mastcam-Z 导航摄像头。

激光、光谱仪、SuperCam 成像仪将用于检查火星的岩石和土壤,以寻找与这颗红色星球的前世有关的有机化合物。

两台高分辨率的 Mastcam-Z 相机能够与多光谱立体成像仪器一起工作,以增强毅力号火星车的行驶和岩心采样能力。

▲毅力号搭载的相机数量

要知道火星大气中有95%是二氧化碳(CO₂),只有0.14%的氧气(O₂)含量,如果像人类的设想一样,想把火星作为人类的“第二家园”,靠这0.14%的O₂含量是远远不够的。

▲火星大气气体分布

这次毅力号将一个名为MOXIE的“火星小魔方”送上火星,目的是通过这个仪器尝试将火星大气中的CO₂转化为O₂,NASA称之为“造氧计划”。

▲MOXIE

如果这一试验成功,将为人类未来探索火星提供强力支柱,是一项技术上的重大飞跃。

除了“造氧小魔方”,毅力号火星车的车底还带了一架微型直升机“机智号(Ingenuity)”上火星。NASA试图让它在稀薄的火星大气中尝试飞行。

▲“机智号”直升机工作图像模拟

▲“机智号”直升机整体构造

“机智号”是一种可以自动驾驶的小型商用旋翼直升机,它固定在火星车的腹部,并且在到达火星后会按计划在一个月的时间内进行5次短程测试飞行

▲直升机脱离探测器

它重约1.8公斤,在火星上大约有1.5磅,可以在大气密度不到地球1%的火星大气中升空,并将通过太阳能电池板为锂离子电池充电,可为每次90秒的短程飞行提供足够的能量。

▲“机智号”直升机技术规格

在“机智号”任务完成后,毅力号将会在接下来的一个火星年不断在火星表面漫游,收集样本,这些样本可能会含有表明火星古代生命存在的生物特征。

这次火星探测最重要的任务是收集可供地球上人类研究的样本,因此它身上最重要的是由Bit Carousel和Adaptive Caching Assembly装置组成的样本采集系统,NASA称,该系统耗时7年打造,是目前进入太空服役的最复杂的机器人系统。它们将用于收集、保护火星上的灰尘和样本并将其反馈给科学家。

▲毅力号先进的钻井系统

Bit Carousel 由9个钻头组成,火星车将使用它们钻入地面,拉动样本并将它们传递到火星车内部,以通过自适应缓存装置进行分析。该系统具有七个电机和总共3000个零件,并负责存储和评估岩石和灰尘样品。

▲毅力号取样

样本采集系统会将收集到的火星上的部分样本整合好,装载在一个小型火箭上,据称在计划中,小型火箭会从火星出发,将样本投送到严格控制消毒条件的流动站中,最终将样本送回地球。

▲小火箭送样本计划

此外,NASA还将会把地球上的物质通过毅力号带往火星,经过10年的沉积,在2031年派出火星车再把这些样本带回地球进行研究。

如果这些计划设想都将实现,人类就可以真正通过从火星上采集的样本分析火星上的环境微生物,而不单单通过图片,或是传说中坠落下来的“火星陨石”寻找答案了。

除此之外,毅力号还带了航天服材料以为未来人类踏足火星做准备,同时它还带了一块刻有地球和蛇杖图案的铝板,以此来表达对抗击新冠肺炎疫情医护人员的敬意。

▲宇航服设计师与Z-2宇航服原型

▲一块刻有地球和蛇杖图案的铝板

03 美国的火星探测史

达芬奇曾说过:“你只要尝试过飞行,日后走路时也会仰望天空,因为那是你曾经到过,并渴望回去的地方(When once you have tasted flight, you will forever walk the earth with your eyes turned skyward, for there you have been, and there you will always long to return.)”

火星这个神秘的红色星球在古罗马时期就受到人们的向往,有传说写道“Mars”这个词也是由古罗马战神Mars的名字而来。

而到上个世纪60年代,人类才真正开始对火星的探索。

1960年和1962年,前苏联开始向火星发射探测器,但因为缺乏经验,两次发射任务均告失败,因此1964年美国发射的“水手4号”成为了世界上第一个发射成功的火星探测器。

▲NASA的“火星车们”

水手4号于1964年12月28日发射升空,这是有史以来第一枚成功到达火星并发回数据的探测器,它向地球发回了 21 张照片,此后又在环绕太阳轨道上花费三年时间对太阳风进行探测。

1969年美国向火星发射了水手6号和水手7号。前者于2月24日发射升空,7月31日抵达火星。后者于3月27日发射升空,8月5日抵达火星。这两枚探测器携带有更先进的仪器和通讯设备,它们成功掠过火星,对火星大气成分进行分析,并发回了大量照片。

▲水手6号探测器

1971年5月30日,美国水手9号发射升空,这是有史以来第一枚成功进入环绕火星轨道的探测器,取得了空前的成功。水手9号于1971年11月14日到达火星,在火星轨道上工作了将近一年之久,发回了 7329 张照片,覆盖了火星表面超过 80% 的部分,同时还对火星的两颗卫星进行了探测。

1975年8月20日美国发射的海盗1号,是美国国家航空航天局维京号计划中两艘飞往火星中的第一艘,它花费10个月飞向火星,轨道太空船在进入火星轨道前五天开始传回火星全球照片,成为全球首个能成功登陆火星的卫星。

▲“海盗号”火星车

1975年9月9日发射海盗2号,主要研究火星温度、磁场、风速、风向、X射线光谱,于 1976年8月7日进入火星轨道。1976年9月3日成功着陆于乌托邦平原。

▲以往NASA的火星车

1996年,美国的火星环球侦测者号发射成功,这枚探测器持续工作了10年,直到2006年才失去讯号联络,它是最成功的火星探测任务之一。它利用所携带的一些专业仪器,进行海拔高度测量,科学家绘制了火星的地形图。

2001年,美国国家航空航天局的火星探测卫星奥德赛号发射,主要任务是寻找火星上水与火山活动的迹象。

2003 年,美国火星探测漫游者,这项计划的主要目的是将勇气号和机遇号两辆火星车送往火星,对火星这颗行星进行实地考察。勇气号在执行任务期间,曾首次找到火星上曾有水存在的证据,并从火星上拍摄到了地球的照片。而机遇号截至 2018年1月25日,已在火星漫游14年多,取得了很大的成绩,并于2019年2月13日任务结束。

2005 年,美国火星勘测轨道飞行器,它的任务是将一枚卫星送往火星,以前所未有的照相机分辨率对火星这颗红色行星进行详细考察,并且为往后的火星地表任务寻找适合的登陆地点。

2007 年,美国凤凰号火星探测器,凤凰号火星着陆探测器在着陆地点附近挖到的发亮物质是冰冻水,从而证实火星上的确存在水。这也是人类通过探测器在地球以外首次获得冰冻水样本。除此之外,“凤凰”号还首次发现火星降雪,还找到了火星上存在碳酸钙和粘土的线索。

▲凤凰号火星探测器

2011年,美国好奇号火星探测器,好奇号发现了拍摄了大量火星日偏食,首次发现不明物似金属碎片,发现铁证证明火星上有水,发现火星有机物,测定岩石年龄为 38.6~45.6 亿年之间等。就在近几天,好奇号还捕捉到了从火星上看到的地球画面,这张惊人的图片也让我们不由的感叹人类的渺小。

▲好奇号火星车从火星的表面捕捉到了地球的第一张照片

▲“好奇号”捕捉到的火星上的大风陨石坑

2018 年,美国洞察号成功着陆,根据洞察号无人探测器提供的数据,美国航天局开始在网上发布火星每日天气报告,提供火星气温、风速、气压等信息。

而这次美国“毅力号”火星探测器升空,为美国的火星探索事业又添加一员大将。

04 2020火星“三杰”各有优势

阿联酋“希望号”、中国“天问一号”、美国“毅力号”三位“选手”在2020年7~8月的火星探测器发射窗口纷纷踏出了第一步,那么这三个国家这次发射的火星探测系统有何异同?我们通过一个表格来大致看下:

从表格上来看,三国对于这次火星探测的侧重点不同,虽然NASA的火星探测器在发射时间上并没有占到先机,但是它确实是离探索火星生物、了解火星是否宜居最近的一项挑战。

05 结语:火星微生物探测开启新篇章

从古至今,火星作为离地球最近、大陆面积与地球相似且环境最接近的行星,一直都在被人类向往和推测。

火星上曾存在过生物吗?人类是否是从火星迁徙过来的物种?未来火星能否成为人类的“第二家园”?这些问题一直以来都是饱受争议的话题。

此前人类也通过火星探测器拍摄的照片,或是天上掉下的类似火星陨石的石头了解过火星的情况,但由于去往火星技术受限,未曾有过精确细致的探索。NASA的“毅力号”这次就将带着了解火星上微生物的目的,获取样本,未来可能真的能通过研究精确解答这些问题。

目前23日发射升空的中国“天问一号”已经在28日传回了第一张“地月”合影,那么搭载如此多新东西的“毅力号”发射后续如何,我们依旧拭目以待。

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