NASA坚毅号启程奔赴火星,本届火星季圆满落幕

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  2020730日,NASA坚毅号火星车搭乘宇宙神V-541火箭,从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空[1]。继阿联酋的希望号、中国的天问一号之后,本届火星赛季最后一位选手,奔赴火星。

  

  搭载坚毅号的宇宙神V-541火箭点火升空。来源:NASA

  从各个角度来说,坚毅号身上都满是前辈好奇号的影子,无论是外形、降落方式,还是探测目标、科学仪器,无不彰显着自己好奇号Pro的气质。而好奇号作为一个已经驰骋火星近8年的super star,它的继任者自然也给了我们许多难以言说的亲切感,仿佛一位认识很久的老朋友,在娓娓展示着人类对火星的探索是如何薪火传承的。

  

  好奇号 vs 坚毅号,八年过去了。素材来源:NASA/JPL-Caltech

  坚毅号的目标是继续探索火星的地质和气候环境,寻找火星过去的微生物痕迹。相比于好奇号,坚毅号升级和替换了哪些黑科技?

  御风而行

  坚毅号此行,最闪耀的明星可能是它携带的小型无人机灵巧号

  

  安装在坚毅号底部的灵巧号无人机。来源:NASA/JPL-Caltech

  人类迄今为止有四种探测火星的方式:飞掠、环绕、着陆、巡视。(嘛…其他星球还有伴飞采样返回和载人探测,不过考虑到一般都是伴飞小天体,小天体自转又很快,所以四舍五入也和绕飞差不多了)

  

  飞掠(flyby)、环绕(orbiting)、着陆(landing)、巡视(roving)。改编自:CGTN [2]

  而坚毅号将尝试为人类带来新的探测方式:无人机探测。要知道别说是火星,人类在地球以外的任何其他星球上,都还没有飞过无人机呢,这是开天辟地头一遭。

  用无人机探测其他星球有多么令人期待?在灵巧号还没有真正在火星上测试飞行过的情况下,另一艘无人机任务,NASA的蜻蜓号已经入选下界新疆界级任务,计划于2026年前往土卫六了。

  

  蜻蜓号无人机在土卫六上的工作假想图。来源:NASA

  但不同于有着稠密大气的土卫六或者有着一般般大气的地球,火星的大气可就太稀薄了。火星表面大气压仅有地球的0.6%,在这样的星球上开无人机,“飞起来”的难度要大得多。

  而灵巧号的应对之法也很直接:自身尽可能轻小,桨叶尽量大,转速尽量快。整个灵巧号仅重1.8公斤,而桨叶总长达1.2米,转速高达2400/分钟[3,4]

  

  严格来说,这是个共轴反桨直升机

  作为测试机,灵巧号没有携带任何科学仪器(相机分科学相机和工程相机的),工作时间也不长:充电一天仅能满血飞行约90秒,飞300米远(也不少了,好奇号一年也就能走3公里…)。但它需要验证在一颗遥远星球上保温、充电、自主飞行、拍照等诸多技术,如果测试顺利的话,甚至能为坚毅号侦查地形和规划路线。灵巧号计划飞行1-4次。

  

  如果灵巧号能成功完成测试,这将意味着人类探索其他星球的方式再次得到了拓展:探测器们将不仅能在固态星球上巡视驰骋,还将能在火星这样的有大气的星球上御风而行,用无人机开拓我们的探测视野。

  

  灵巧号工作想象。来源:NASA/JPL-Caltech

  生命“神探”

  为了探寻火星生命痕迹,好奇号最大的法宝是腹中的一套强大的有机物探测装置,叫做火星样本分析仪(Sample Analysis at Mars,简称SAM(山姆)。机器臂采集到的火星固体样品,会被送入“山姆”之中,经过高温分解检测其中是否有复杂有机物。“山姆”是整个好奇号火星车上占体积最大,设计最复杂的仪器,也正是“山姆”相助,才让好奇号在火星发现了多种噻吩(C4H4S)、芳香族和脂肪族复杂有机物。

  

  火星样本分析仪SAM及其内部仪器。来源:NASA

  而坚毅号则启用了一套远程分析的仪器来探测有机分子和可能的生命痕迹——以名侦探“夏洛克·福尔摩斯”为名,这个仪器叫做夏洛克(全称“拉曼和荧光扫描宜居环境、寻找有机物和化学物质仪”,缩写SHERLOC)。夏洛克安装在坚毅号机器臂前端,包括一个紫外激光拉曼光谱仪和一个昵称“华生”的相机,可以协同工作,精细探测火星表面的矿物成分、有机分子和可能的生命痕迹[6]

  

  来源:NASA/JPL-Caltech

  “夏洛克”的仪器标定板也值得一提。许多送往火星的仪器都需要从地球带去标定物来校准,同时这些标定物在火星的极端温度和辐射环境下逐渐发生的变化,也能帮助我们了解火星环境的影响。

  

  感受一下夏洛克的标定板大小。来源:NASA/JSC [7]

  夏洛克携带了10件标定物,其中最具话题性的当属火星陨石Sayh al Uhaymir 008的切片。这颗来自火星的陨石是人类1999年在阿曼沙漠找到的,而这次,坚毅号要送它回家了。

  

  火星陨石Sayh al Uhaymir 008的切片。不过不止夏洛克,坚毅号的超级相机也携带了一块火星陨石用于定标,不过那块要低调不少。来源:NASA/JPL-Caltech/PIA22245

  除了火星陨石,夏洛克的标定板中还有5种宇航服纤维和头盔材料,这些材料在火星环境下性能如何,会如何老化,这些都关系到将来的宇航员登上火星时的安危。这是人类首次将宇航服材料送往火星[6]

  

  感谢微博网友们帮助汉化,这些个材料中文都是啥啊orz,陷入了知识的盲区…汉化自:NASA/PIA24033

  仔细观察夏洛克的定标板,还能发现左下角(放聚碳酸酯材料的)那格写着“贝克街221号”,真是偷偷把cue梗进行到底的节奏呀。今后坚毅号所在的地方,就是火星上的“贝克街221号”吧~

  

  夏洛克的定标板。来源:NASA/JPL/collectSPACE [8]

  火星制氧

  去掉了好奇号的样本分析仪“山姆”(SAM),坚毅号的“腹中”给另一个前所未有的仪器腾出了一点位置——火星原位制氧仪“莫克西”Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization ExperimentMOXIE)。

  

  (左)莫克西的位置和参数。(右)实物,就是这个金盒子!来源:NASA/JPL-Caltech

  莫克西从火星大气中收集二氧化碳,电解为氧气和一氧化碳,对氧气进行提纯之后,将一氧化碳和其他产物排回大气中。

  

  莫克西制氧原理。根据NASA资料简化制作

  火星大气约96%的成分是二氧化碳,而将来登陆火星探测甚至长期生活的人类更需要的,是赖以生存的氧气。如果能直接利用火星的二氧化碳来制备氧,那么将来的人类就不用千里迢迢从地球带液氧来火星,而是可以直接在火星生产氧,供日常呼吸和推进剂之用。想想就是一件激动人心的事!

  

  让《火星救援》里的生保系统成为可能。来源:电影《火星救援》

  莫克西这个缩写也别有深意,MOIXE意为“勇气、大胆、坚韧、富有冒险精神”,这也是NASA对这个探索性仪器寄予的期望。

  

  NASA还顺便cue了一款叫做MOXIE的苏打饮料品牌,2018年被可口可乐公司收购。来源:维基

  强劲“手臂”

  相比于好奇号,坚毅号在外形上最大的调整是把更多重心放在了机器臂上。可以说,坚毅号将是目前的火星车里最强的“独臂大侠”。

  

  坚毅号的机器臂。来源:NASA/JPL-Caltech

  除了好奇号就有的钻头和相机,坚毅号还把自己7大仪器中的2个都安装在了机器臂前端:一个是上一节提到的生命神探“夏洛克”,另一个则是可以探测岩石超精细化学组成的X射线荧光光谱仪The Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry,缩写PIXL)。

  PIXL的另一层含义是“像素”(pixel)的谐音,用以表现这个仪器将会如何“明察秋毫”。它不仅能探测出岩石含有的成分,还能像素级还原清晰地拍摄出这些成分的排列方式。

  

  (左)PIXL传感探头;(右)PIXL相比于其他探测元素的仪器(如好奇号携带的APXS)的优势。来源:NASA/NICOLAS MICHEL-HART, UNIVERSITY OF WASHINGTON

  PIXL和夏洛克双剑合璧,可以帮助我们探测到火星上更可靠的疑似微生物遗迹。

  

  晕了没?没晕走两步?| 来来来再捋一下,以地球上最古老的生物化石之一——叠层石为例,PIXL可以探测这块石头里含有哪些元素以及元素的微观排布,夏洛克可以探测这块石头里含有哪些矿物和有机分子。来源:参考文献 [9]

  此外,坚毅号还升级了钻头:不同于好奇号的钻头只能采集火星岩石和土壤粉末,坚毅号的钻头可以直接采集完整的岩芯,这有助于将来的人类分析到“无损”的火星岩石样品。这将是人类首次采集到火星的岩芯样品。

  

  (左)坚毅号采样示意图;(右)岩芯钻取示意图。来源:NASA、参考文献 [10]

  采样返回先驱者

  前辈好奇号探测火星生命的仪器“山姆”里,有一整套双层旋转木马一般的“试管套装”,这些“试管”,是好奇号分析样品的化学实验杯。

  

  坚毅号依然携带了一套“试管”,但这些“试管”只用于封装钻头采集的火星样品。

  

  坚毅号的样品收集管。来源:NASA、参考文献[9]

  是的,坚毅号此行完全放弃了好奇号甚至海盗号那样通过机器臂直接采集和接触式分析样品的模式,而是只负责样品的采集和封装。

  之后,坚毅号会把样品管转移到指定地点:

  

  第二站是样品缓存站,如果后续还有拓展任务(虚线部分),那么拓展任务采集到的样品还会再折返送回缓存站。来源:NASA

  留待将来的火星任务拾取和送回地球,给人类亲手研究:

  

  火星采样返回任务示意。来源:NASA/JPL-Caltech

  拥抱未来

  作为手握人类全部八次成功的火星着陆探测荣誉称号的选手(苏联还有一次成功着陆但没能顺利开展工作的,算…半次吧),NASA对火星探测毫无疑问有着最多经验,也走在最前沿。既带着前辈们的经验,又有着最雄厚的资金投入,价值24亿美元的坚毅号火星车显然还有太多细节值得深挖和学习,这不是一两篇文章能讲完的,有机会我们再展开讲讲。

  例如,坚毅号直接把好奇号原有的桅杆相机(Mastcam)和化学相机(ChemCam)升级为可缩放的桅杆相机(Mastcam-Z)和还能分析矿物和分子、拍摄彩色照片的超级相机(SuperCam)。

  

  坚毅号的7大仪器。来源:NASA/JPL-Caltech

  坚毅号和我国天问一号火星车一样携带了次表层雷达,两个测地雷达将深入探测火星车沿途的地下浅表层结构和水冰分布。从没有过见识过巡视器测地雷达的火星,将一口气迎来两个。

  

  坚毅号的次表层雷达(RIMFAX)工作示意图。来源:NASA/JPL-Caltech

  坚毅号携带了更多相机,足足有23个之多,浑身都是“眼睛”。

  

  坚毅号的相机分布。来源:NASA/JPL-Caltech [11]

  坚毅号在好奇号的基础上更新了软件系统,设计了更坚固耐磨的车轮…

  

  好奇号vs坚毅号车轮。来源:NASA/JPL-Caltech

  但总的来说,相比于升级装备,探索更多科学谜题,坚毅号显然有更大的目标,也更具开拓性——不执着于用有限的资源获得尽可能多的科学成果,不计较一时一地的得失,而是真正着眼于将来。不管是灵巧号无人机,还是莫克西制氧仪,都是本次坚毅号的“试验任务”,它们最大的目标是验证技术的可行性,为将来的载人火星任务铺路。而采集岩芯、封装火星样品,更是把更多“发现”的机会留给了未来,或许,是十年后的人类。

  7个月后

  坚毅号的火星之旅计划在路上花费约6个半月,途中进行5-7次轨道修正。

  

  坚毅号计划轨道。敲黑板复习一下,这个就是上期讲的快速转移轨道。来源:NASA/JPL-Caltech

  一切顺利的话,坚毅号火星车将于2021218日登上火星表面的杰泽罗(Jezero)撞击坑。

  

  (这里的“成功”仅按“成功着陆且顺利开展探测工作计)

  这是一个古老湖泊的遗迹,有着三角洲流水地貌、丰富的火山熔岩产物和矿物沉积,是行星科学家们精挑细选出的可能孕育生命和保存生命痕迹的环境。核电池加身的坚毅号设计寿命1个火星年(约2个地球年),当然,按照我们对以往NASA火星车的经验来看,不出意外的话它实际会工作更久。

  

  杰泽罗撞击坑三角洲一带丰富的沉积物:绿色是粘土矿物、黄色是橄榄石和碳酸盐。MRO CTX影像和CRISM光谱图像的叠加图。NASA/JPL/JHUAPL/MSSS/Brown University

  即使不谈这些,光是7个月后的火星上空即将再现空中吊车黑科技这一项,想必早已让很多朋友们激动不已了。

    

  空中吊车/空中起重机着陆,这曾是好奇号独有的着陆方式,坚毅号也将延用。NASA/JPL

  更何况——还有NASA“带着你的名字去火星”的传统艺能呢!届时,又会有1093万个被装在小小的芯片里的地球人名字,和坚毅号一同登上火星表面了[12]

  

  名字都在这里。来源:NASA/JPL-Caltech

  不过除了这些,坚毅号此行还在火星车底盘左侧安装了一块8×13厘米的铝牌,画面是代表医学的阿斯克勒庇俄斯之杖顶起地球,其上是探测器飞出地球,去往更遥远的星球,意在致敬和感谢全世界的医护工作者们在新冠疫情期间的伟大奉献,正是有ta们在守护地球,人类才能不断探索更遥远的地方。

  

  (左)坚毅号携带的纪念铝牌;(右)代表医学的阿斯克勒庇俄斯之杖,这也是世界卫生组织的logo中的元素。来源:NASA/JPL-Caltech/WHO

  看见这块铝牌在哪里了么?

  

  感谢全世界医护工作者们。来源:NASA/JPL-Caltech/WHO

  至此,本届火星赛季三位选手(阿联酋希望号、中国天问一号、NASA坚毅号)已全部交卷,顺利前往火星。明年2月,三国的“火星大考”将迎来各自的第一轮“成果验收”。让我们一起期待吧。

  参考文献:

  [1] NASA | Mars 2020 Launch Vehicle

  https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/launch-vehicle/

  [2] CGTN | Hi Mars: Humans' Mars odyssey

  https://news.cgtn.com/news/2020-07-23/Hi-Mars-Humans-Mars-odyssey-SmbQK9Ppok/index.html

  [3] https://www.nasa.gov/feature/jpl/6-things-to-know-about-nasas-ingenuity-mars-helicopter/

  [4] https://mars.nasa.gov/technology/helicopter/

  [5] NASA | NASA’s Mars Helicopter, Ingenuity (UHD Trailer)

  https://www.youtube.com/watch?v=0RQWv1ybsjM&feature=youtu.be

  https://mars.nasa.gov/resources/24935/nasa-mars-helicopter-ingenuity-animations/

  [6] https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/

  [7] https://mars.nasa.gov/news/8448/johnson-built-device-to-help-mars-2020-rover-search-for-signs-of-life/

  [8] http://www.collectspace.com/news/news-072720a-perseverance-rover-martian-meteorite-return.html

  [9] Williford, K. H., Farley, K. A., Stack, K. M., Allwood, A. C., Beaty, D., Beegle, L. W., ... & Hecht, M. H. (2018). The NASA Mars 2020 rover mission and the search for extraterrestrial life. In From Habitability to Life on Mars (pp. 275-308). Elsevier.

  [10] Chu, L. E., Brown, K. M., & Kriechbaum, K. (2017, March). Mars 2020 sampling and caching subsystem environmental development testing and preliminary results. In 2017 IEEE Aerospace Conference (pp. 1-10). IEEE.

  [11] https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/rover/cameras/

  https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/rover/body/

  [12] https://mars.nasa.gov/participate/send-your-name/mars2020/ 

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