“毅力号”火星车在何处着陆寻找远古生命迹象?

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  火星和行星科学研究人员花费了3-4年时间展开深入研究,以确定该火星车究竟在哪个地点着陆,目前,他们选择了一个最佳着陆地点,是一个被命名为“杰泽罗”的陨坑,该陨坑内有一处河流三角洲,专家猜测远古时期曾有一条河流流至陨坑内,并且存在大量沉积物质。这有点像美国路易斯安那州密西西比河末端支流的三角洲区域,将河流的沉积物逐渐地释放到墨西哥湾。

  在地球,这种浅水三角洲是一种非常温和的环境,有机分子和化石可以逐渐掩埋和保存在超细粒泥岩中,如果火星三角洲地带也具有类似的特征,这将是一个非常好的环境,可以保存来自陨坑上方远古高地的河流冲积物质证据。

  火星表面有许多我们未知的事物,之前科学家发现火星远古时期存在液态水的证据,并且火星表面的热源——20亿-40亿年前存在着活跃火山,还有大量小行星和彗星碰撞形成的陨坑,对火星表面带来了大量有机分子,并释放大量热量。事实上,太阳系中满足这些限定条件的地点非常少,而火星杰泽罗陨坑就是其中之一,这是我们认为寻找地外生命迹象的最佳地点之一。

  “毅力号”携带了什么科学工具?

  从外观上看,毅力号火星车与好奇号火星车十分相似,因为它90%零部件与好奇号相同,这就是为什么美国宇航局信赖毅力号的原因,相信该探测车能够胜任火星勘测任务。据悉,好奇号火星车携载两个相机,一个是广角相机,一个是摄远相机。

  毅力号火星车沿袭采用了好奇号的两个相机,但是相机具有变焦功能,基于这两个相机可从广角效果变焦为摄远效果,该相机是桅杆变焦相机(Mastcam-Z),其中“Z”代表变焦的意思,便于拍摄高清晰立体图像,两个桅杆变焦相机就像人类的左眼和右眼,可以拍摄火星三维图像传送至地球。

  获得火星三维图像对于科研工作非常重要,便于科学家详细地了解火星地形结构,我们希望将杰泽罗陨坑三角洲地质结构部分结合在一起,而不仅仅是获得二维空间信息,而是具有空间高度和结构的三维图像,科学家需要制作该火星车着陆地点的3D地图。地面工程师和火星车操控员需要这些信息,该三维图像将帮助他们确定在火星何处行驶,如果识别障碍、斜坡、沟渠和岩石等物体,使他们能够驾驶火星车展开深入勘测。最终,他们可以利用这些三维图像制作毅力号火星车着陆的3D视图。

  此外,毅力号火星车还携载一架直升机——“匠心号”直升机,它将在火星车着陆之后30-90天某个时间与火星车分离,进行几次开创性试飞,以证明机械设备在地外星球空中飞行是可能的。

  此次太空任务有何不同?

  毅力号火星车的主要任务是获得火星首个机械采集样本,所以该火星车不会像好奇号火星车那样在火星表面钻洞,而是会在火星表面提取表层土壤样本,然后将这些样本装入白板笔大小的试管容器中,然后再将这些试管放在火星表面,便于未来十年后火星返程任务将它们带回地球。

  毅力号火星车不会返回地球,但它收集的火星样本未来将送到地面,同时,该火星车还将进行之前火星车展开的多项勘测任务,对着陆地点进行详细全面勘测,探索地质结构,测量大气和天气特征。

  如何将这些火星样本带回地球?

  该环节存在不确定因素,因为其实现过程还处于构想阶段,美国宇航局和欧洲航天局正在合作建造并发射一个新型着陆器,它会发射一个小型火星车,负责将这些试管收集起来,并带回着陆器。等待着陆器的是一枚叫做“火星上升运载器(MAV)”的小型火箭,一旦火星样本装入MAV火箭,就会被发射至火星轨道。

  目前,美国宇航局和欧洲航天局正在合作建造一个轨道飞行器,用于搜索未来进入火星轨道装载火星样本的容器,该容器体积不大,在葡萄柚至足球大小之间,一旦轨道飞行器捕获该容器,将用火箭将它送回地球,降落在犹他州沙漠。

  “恐怖7分钟”:进入大气层、下降和着陆阶段(EDL)

  毅力号“进入大气层、下降和着陆阶段(EDL)”是该任务中最危险的环节,一些工程师称之为“恐怖7分钟”,以下是着陆过程重要时间节点的相关操作:

  巡航阶段减速伞打开:在过去的6个月里,毅力号火星车与飞船是一个整体,美国宇航局“匠心号”火星直升机位于火星车腹部,北京时间2月19日4点38分(美国东部时间2月18日15点38分),火星车将与飞船进入舱分离,并打开减速伞,该减速伞直径4.5米,由两部分组成——背壳和隔热罩,隔热罩保护火星车在最初穿过火星大气层下降时不会因产生的极端高温而烧毁,隔热罩的空气动力学也可以作为“刹车”,帮助减缓飞行器的速度。

  进入大气层:北京时间2月19日4点48分(美国东部时间2月18日15点48分),预计该火星车抵达火星大气层顶端,时速达到19500公里。进入火星大气层大约90秒后,火星车出现峰值减速,飞行速度降低至时速1600公里。随后在下降至火星表面的过程中,利用其在火星大气中运行产生的阻力减速,减速伞会启动背壳上的小型推进器,以重新调整方向,确保火星车在坠入大气层时隔热罩正对着火星表面。

  加热峰值:北京时间2月19日4点49分(美国东部时间2月18日15点49分),在降落飞行过程中,飞船与火星大气层产生摩擦,导致飞船底部升温,温度高达大约1300摄氏度。

  打开降落伞:北京时间2月19日4点52分(美国东部时间2月18日15点52分), 在飞船进入火星大气层大约4分钟后,飞船将从减速伞中展开一个超音速降落伞,该降落伞直径21.5米,它将在距离火星表面11公里处展开,飞行时速为1512公里,降落伞将帮助火星车减速至每小时320公里。精确的部署时间基于最新距离触发技术,美国宇航局工程师表示,距离触发技术可精准缩小着陆器至一个椭圆状区域,意味着毅力号火星车比之前火星车花费更少的时间定位着陆点。同时,该技术还将依据飞行器的位置和着陆目标的距离自动调整降落伞展开的时间。

  隔热罩分离:在减速伞展开后大约20秒,隔热罩将与背壳分离并脱落,随着降落伞系统继续减缓速度,毅力号火星车仍保存在飞船的背壳中,这使得火星车可以使用雷达来确定它距离地面有多远,并使用相对地形导航技术来寻找一个安全的着陆点。基于距离触发技术和相对地形导航技术,火星车在杰泽罗陨坑底部着陆将成为可能,因为该区域地形复杂,包括陡峭的悬崖、沙丘、卵石和较小的碰撞坑。

  动力下降阶段:北京时间2月19日4点54分(美国东部时间2月18日15点54分),当飞船下降至距离火星表面2.1公里时,火星车将与降落伞和背壳分离,并进入动力下降阶段,该阶段配备8个可节流减速火箭,或者火星登陆引擎,有助于火星车减速最终着陆在火星表面。

  着陆:北京时间2月19日4点55分(美国东部时间2月18日15点55分),在毅力号火星车下降阶段,将启用“天空起重机系统”,通过尼龙系绳逐步下降火星车,距离火星表面20米时,也就是着陆前12秒,三根尼龙缆绳在火星车距离火星表面7.6米时逐步对火星车降速,最终使火星车抵达地面,与此同时,火星车将伸展支架,使它的轮子进入着陆位置。一旦火星车探测到轮子触地,就会切断连接下降段的缆绳,随后安全着陆。如果一切按计划进行,毅力号火星车将开始为期两年的杰泽罗陨坑探索任务。

  事实上有很多因素会影响以上重要环节的准确时间,包括火星大气层特性,在飞行器真正穿越火星之前很难预测。由于深空通信的复杂性,任务控制人员也可能无法在上述时间精准完成相应操作,详细的工程数据流(也称为遥感勘测数据)的近实时性主要依赖一种最新中继技术,该技术是2020年美国宇航局火星勘测轨道器(MRO)采用的,工程师预计在火星车即将着陆之前,更多的附加数据将通过美国宇航局深空网络和另外两个地球陆基天线直接返回至地球。

  值得注意的是,毅力号火星车可以在没有与地球通信的情况下安全登陆火星,该火星车拥有预编程的着陆指令和重要的自主权限,在着陆后数小时和几天之内,还预设了额外的通信通道。(叶倾城)

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