毅力号探测器着陆火星,它的黑科技都有啥?丨红杉爱科学
The following article is from 腾讯太空 Author 乔辉
火星作为太阳系内与地球环境最接近的行星,几乎承载着未来“星际移民”的唯一希望,故而世界各国对火星的探索近乎“痴迷”。
“九天之际,安放安属?”承载了中华民族对宇宙空间探索理想的「天问一号」在经过200多天的飞行后,于2021年2月10日20点50分左右,成功进入围绕火星运行的轨道,开启“绕、着、巡”第一步,执行环绕火星的战略性任务。
在“环火”过程中,「天问一号」会对着陆区进行拍摄,并将数据传回地面,科学家们再根据最新数据持续优化后续着陆安排。在经过充分的准备过后,计划于5-6月择机实施火星着陆。
除了「天问一号」之外,2020年人类还向火星发射了希望号、毅力号两个探测器。其中美国毅力号火星探测器于北京时间2021年2月19日凌晨成功登陆,执行巡视探测任务。该探测器采用“空中吊车技术”降落,以核动力作为火星表面前进动力,并携带了一架小型火星直升机,助力人类探索火星之旅。
2021年,[ 红杉汇 ] 将持续丰富“红杉爱科学”栏目,将更多地把目光投向前沿科技领域,追寻现象背后的深层次答案,聚焦硬科技最新突破,探索关乎人类生存方式的科技进展。
动画模拟毅力号登陆火星全程
降落后毅力号传回的首张照片,确认着陆成功
好奇号火星车(左)和毅力号火星车(右)(艺术图)
一、酷炫的降落方式:空中吊车技术
毅力号进入火星大气层刹车减速全过程
科学家在用模型展示好奇号的空中吊车着陆方式。毅力号的降落方式如出一辙
探测器来到火星附近
着陆器开始接触火星大气
着陆器经历黑色七分钟
降落伞打开
空中吊车点火
空中吊车释放毅力号火星车
使命完成,空中吊车飞到远处自毁
二、毅力号火星车的登陆地点在哪里?
绿色椭圆是毅力号预定的降落区域,位于撞击坑边缘靠近远古河流入口的地方。(来源:NASA)
动图演示杰泽罗撞击坑的演化历史
三、毅力号火星车携带了哪些重要科学仪器?
毅力号火星车携带的七大科学仪器。(来源:NASA)
2、SuperCam:这是一台激光超距分析仪,能够远距离利用高清相机、激光和光谱仪对火星上的岩石和土壤成分进行分析。消耗功率大约17.9瓦。
3、PIXL:这是X射线光谱仪,能够利用矿物对X射线产生荧光的原理进行更加精确的分析。装配有微距相机,能够看清非常细小的火星沙粒。消耗功率大约25瓦。
4、SHERLOC:这是紫外光谱仪,能够利用紫外激光对矿物和有机物质进行分析,这将是火星上第一个紫外拉曼光谱仪。这台仪器上还安装有一台高分辨率的彩色相机。消耗总功率大约48.8瓦。
5、MOXIE:我们知道,火星大气中二氧化碳占95%。这台仪器将进行一项非常重要的实验,那就是通过化学反应从火星大气的二氧化碳中制取氧气。有了氧气,不但可以供未来登陆火星的宇航员呼吸使用,而且氧还是火箭的推进剂。这台仪器消耗功率约300瓦。
6、MEDA:相当于移动气象站,能够对火星大气的温度、气压、风速、风向、相对湿度以及沙尘的大小和形状进行记录。消耗功率约17瓦。
7、RIMFAX:这是雷达探测仪,这台仪器是利用雷达对火星表面之下的地质结构进行探测,能够达到厘米级别的分辨率。消耗功率约5瓦至10瓦。
四、毅力号火星车有哪些关键的科学目标?
1、寻找远古火星存在过生命的痕迹。2、收集岩石和土壤样本,为未来的火星采样返回做准备。3、探索着陆区域的地质多样性。4、为未来的火星任务验证新技术。
五、翱翔在火星天空的首架人类直升机
这架名为小机灵的直升机重仅为1.8公斤,高0.5米,螺旋桨直径1.2米,由两个反向旋转的螺旋桨提供升力,功率350瓦。
虽然火星的表面引力只有地球的三分之一,从这点看有利于飞行器飞行,但是火星的气压只有地球气压的1%,空气非常稀薄,因此要求螺旋桨转动更加快速才行。小机灵直升机螺旋桨旋转角速度可达2400转每分钟。水平移动的速度为10米每秒,爬升速度为3米每秒。
毅力号释放火星直升机(动画模拟)
这架直升机无法直接和地球联络,要通过毅力号进行信息接力传输,因此,不能飞离毅力号太远,最远航程仅300米,最远通讯距离为1公里。
其实,本次火星直升机项目主要是为了进行技术验证,并没有赋予太多任务使命。火星直升机比轨道上的人造卫星分辨率更高,而且比火星车更加灵活,机动性更强。一旦飞行成功,将为未来火星探测增加了全新的方式。
六、不依赖阳光的核能发电装置
RTG中使用的是二氧钚(钚-238),放射性衰变使其变得非常炽热(左)。1945年美国投掷到日本长崎的原子弹升起的蘑菇云(右),该原子弹的代号为“胖子”,使用的核燃料为钚-239
毅力号火星车使用的是“放射性同位素热发电机”(Radioisotope Thermoelectric Generator,缩写为RTG)提供电能。其原理是,通过热电偶装置把放射性同位素钚-238衰变产生的热直接转换为直流电来提供火星车的行驶和各项仪器设备使用。
人造同位素钚-238的半衰期仅为88年,这意味着它的放射性衰减之快可以让它非常炽热。钚-238释放的是阿尔法射线,很容易被阻挡,这种物质不能用于核弹。RTG没有活动的部件,所以很可靠,并且放射性材料能够持续发热很多年。RTG除了用于为毅力号供电之外,余热还能为毅力号的各种仪器以及自身供暖。
毅力号使用的RTG装置是当年好奇号火星车的备用产品,重量约45公斤,里面封存有4.8公斤的二氧化钚。当电力需求低谷的时候,RTG就给两块锂离子电池充电,以备用电需求增加的时候使用。随着放射性元素的不断衰变,输出功率会越来越低,但毅力号上的RTG使用寿命至少可达14年。
其实,这种利用核能的方式并不是太新鲜的科技。当年阿波罗登月期间,就使用过这种发电装置。
七、1093万个地球人名字飞往火星
为了唤起公众对这次火星任务的注意,依照惯例,美国宇航局开展了“发送你的名字到火星”的活动,通过网络向全世界征集,最终征集了10932295个名字。值得注意的是,这些名字不是以二进制的形式存放在内存里,而是用电子束雕刻的方式刻在三块指甲盖大小的硅片上。
1093万个地球人名不是以二进制的形式存放在内存里,而是用电子束雕刻的方式刻在三块指甲盖大小的硅片上(红圈部分)。
八、人类探测火星的重要意义是什么?
因此,在未来,火星几乎是唯一存在移民可能性的行星。另外,火星还可能存在像微生物这种低等生命的可能性。这也是世界各国热衷探索火星的重要原因。
来源:腾讯太空,《耗资27亿美元,美国又一辆核动力火星车成功着陆,还带了一架直升机》
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