“好奇号”火星车好奇什么

                                         黄永明 2011-12-01 

        体积相当于一辆SUV，满载最先进的仪器

        与2004年登陆火星的勇气号和机遇号相比，刚升空的好奇号要比它们大得多。当它于2012年8月抵达火星后，将以前所未有的精度寻找火星上可能存在过的水的痕迹，以及其他生命存在的基础。

        2011年11月26日，美国宇航局的“火星科学实验室”在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空，开始了它前往火星的八个半月的太空飞行。

        “火星科学实验室”的外形是一辆火星车，它也被叫做“好奇号火星车”（Curiosity Rover）。与2004年登陆火星的勇气号和机遇号两辆火星车相比，好奇号要比它们大得多。它的大小几乎相当于一辆SUV，质量是前两部火星车的五倍。

        “我们将世界上最先进的科学实验室送往了火星，这让我们非常兴奋。”美国宇航局局长查尔斯·博尔登（Charles Bolden）表示，“火星科学实验室将告诉我们一些我们想要知道的关键信息，在它促进科学发展的同时，我们也会发展载人登陆那颗红色星球的能力，以及前往其他我们从未去过的目的地的能力。”

“好奇号”火星车的大小几乎相当于一辆SUV，质量是前两部火星车的五倍。它携带的设备是迄今为止送往火星的最为专业和先进的仪器。 （NASA官方网站/图）

        自二十世纪初期开始，人们凭着望远镜中看到的火星影像和头脑中的想象，认为火星上可能存在生命，乃至火星人。然而，当最早的着陆探测器海盗1号和2号在1976年触及火星表面的时候，人们大失所望。

        “来自海盗2号（的照片）显示了一个寒冷、贫瘠、干燥、显然死掉了的行星。”美国宇航局火星探测项目科学总监迈克尔·梅耶（Michael Meyer）说，“就像你能想象到的那样，人们对火星探测的热情随之一落千丈。”

        然而，也是在同一时期，科学家在地球海洋底部的深海热泉里发现了极端微生物的存在。“由此开始，科学家开始了一系列在极端环境中寻找生命的研究。从这些研究中我们了解到，生命可以适应各种环境，看起来唯一必需的要素就只有液态水。”梅耶说。

        1996年，美国宇航局发射了火星全球勘探者号探测器。这开启了新的探索火星的时期，一系列的轨道器和着陆器被送往火星。探测的结果让科学家了解到，火星并不是海盗号眼里那个“死掉了的行星”，它其实蕴藏着活力。

        自那时起，美国宇航局火星探测任务的科学目标就围绕考察火星是否曾经支持生命存在而进行，此次的好奇号火星车亦进一步推进美国宇航局“跟着水走”的战略。当它在2012年8月抵达火星后，将用一个火星年（687个地球日）的时间以前所未有的精度寻找火星上可能存在过的水的痕迹，以及其他生命存在的基础。

        2004年登陆火星的勇气号和机遇号火星车已经发现，火星在过去曾经是温暖和湿润的，甚至可能存在过海洋。但是后来它的环境发生了巨大的转变。

        尽管过去十年里探测器已经发现了粘土、硫酸盐、水道等令人期待的火星环境特征，但博尔登称：“我认为好奇号火星车是自海盗号以来第一部追寻火星生命问题的探测器。”

        全新的着陆方式

        好奇号的降落点位于火星的赤道地区，它在明年落地时正值火星南半球的深冬季节。降落点位于一个叫做盖尔的陨石坑（Gale Crater）。与勇气号和机遇号用气囊包裹着落地不同，好奇号采用了一种更新颖的着陆方式，就好像是用起重机吊着着陆一样。通过这种方式，项目人员希望能够把探测器的着陆点控制到一个更小的区域内。

        当探测器经过长途跋涉，到达火星上空131千米的时候，它就进入了所谓“进入、下降和着陆”（EDL）阶段。这个阶段大约持续7分钟，但实际的情况取决于届时火星上的风速等大气条件。

        “任何进入、下降和着陆火星的过程都是一个让你忍不住咬指甲的阶段。那不是一个没有风险的环境。”火星科学实验室项目经理皮特·泰辛格（Peter Theisinger）在发射前的发布会上说。

        好奇号火星车是被防护罩包裹着进入火星大气层的，外观就像一个陀螺。在进入大气层之前九分钟，“陀螺”背壳上的推进器会将整个探测器的姿态调整成隔热罩面对大气层。这项调整完成之后，探测器会从背壳上释放出两个钨制的配重，每个配重有75千克，以这种方式来改变整个探测器的重心位置。这是为了让探测器做好与火星大气冲击的准备。

        在探测器进入到火星大气层顶部之后，背壳上的推进器会再进行一系列的喷射，以调整探测器的飞行角度和方向。这会让探测器呈“S”形路径飞行，这种飞行方式一方面会减少探测器下降过程的水平距离，同时也能够修正由风造成的偏移。这个过程被称为“制导进入”，它由探测器根据实时探测到的信息自动完成。

        “与之前的火星任务相比，制导进入技术让探测器对不可预测的大气条件产生更为灵敏的应对。”美国宇航局在一份介绍材料中写道。

        探测器在着陆前的减速过程中，90%的贡献都来自火星大气的摩擦力。隔热罩承受到的最高温度会出现在进入大气层后80秒，大约有2100摄氏度。

        然后探测器还有一次调整重心的动作，这次是在降落伞打开前，它丢掉六个配重，将重心调整回到对称轴上。

        当探测器到达距离火星表面11千米的高度时，降落伞打开。24秒之后，隔热罩脱离。此时，好奇号仍然蜷缩在背壳之中，位于8千米的高度。与此同时，好奇号所携带“火星下降摄影机”苏醒过来，开始工作。它将下降过程拍摄成视频传回地球，一方面供互联网上的“粉丝”们观看，另一方面，这段视频也以更高的分辨率拍摄了着陆点的环境，让科学家能够依据它来制定出好奇号最初的活动路线。

        再过几十秒，探测器下降到1.4千米的高度时，背壳也会分离，此时探测器以每秒80米的速度下降。探测器上安装的八台制动火箭开始喷射，为探测器进一步减速，直至下降速度降低到每秒0.75米。

        好奇号所携带的科学仪器是在2004年确定的，当时美国宇航局从征集来的方案中遴选出了八个装置，外加一台来自西班牙和一台来自俄罗斯的装置，一共10台。“当宇航局确定了任务的目标和相应的科学仪器时，我们就看出我们得制造一部很大的火星车。很明显的一点就是，你没法用气囊让这样大的火星车成功着陆。”泰辛格说。

        “如果你想一下的话，”他继续说，“只有两种推进型方式将火星车着陆：要么把火星车放到推进系统上面，要么把火星车放到推进系统下面。”如果选择前者的话，那么落地之后如何让火星车开下来将会是个令人头疼的问题。

       于是，“空中起重机”（sky crane）的概念诞生了。“起重机”在距离地面20米时释放出尼龙绳，吊着好奇号下降，同时八台制动火箭中的四台熄火。这时好奇号已经不再蜷缩在背壳之内了，场面有点像直升机吊装货物，但直升机被换作了四脚喷火的飞行器。

       在接触地面之前，好奇号的轮子伸展开来，一旦它们触及地面，尼龙绳便会断开连接，“起重机”飞到150米乃至300米开外，完成任务。

       然后，电脑从“进入、下降和着陆状态”转换为“地表状态”，好奇号开始它在火星表面的探索工作。

与勇气号和机遇号用气囊包裹着落地不同，好奇号采用了一种更新颖的着陆方式，就好像是用起重机吊着着陆一样。 （NASA官方网站/图）

       尖端仪器

       好奇号带上火星的设备是迄今为止送往火星的最为专业和先进的仪器。它“头”上的两个眼睛是两部相机，其中一部能够跨越七个足球场的距离分辨出对面放的是篮球还是足球。另外一部在好奇号抵达一个新地点的时候，能够用25分钟拍摄150张照片，然后合成一幅全景照。

       这两部相机能够拍摄出彩色照片，但是其原理与以往送往火星的CCD相机有所不同。以往的相机是用不同的滤光镜拍摄一系列照片，然后地球上的科研人员将这些不同颜色的照片合成为彩色照。而好奇号的CCD能够在一次曝光中直接获得红绿蓝三种颜色，它所得到的照片会更加接近人眼的视觉。

       好奇号还携带了一个被叫做“化学相机”的仪器，它能够发射出激光，击中7米之外的岩石或土壤。被激光击中的物质会产生出等离子体，而“相机”通过观测等离子体的光谱，来测定目标物的成分。设备中的分光仪能够测定6144个不同波长的光，而不同的物质被离子化后所发出的光具有特定的波长。这部化学相机的射程足以帮助科学家寻找下一个近距离采样和分析的目标。

       “假如岩石表面附着了尘土或者有了风化外皮，那么（好奇号）可以发射数百次重复的激光脉冲来把表层打掉，以测量到内部成分，并可就内部和表层的成分进行对比。”美国宇航局的材料介绍说。

       另外一部“阿尔法粒子X射线分光仪”则能够在10分钟的快速检测中，探测到岩石中含量低至1.5%的成分。如果给它三个小时时间，它就能够探测到含量在万分之一量级的物质。它尤其对于硫、氯、溴等与盐的生成密切相关的物质敏感，从它们中可能会看出是否曾经与水发生过作用。

       好奇号有两部直接分析岩石和土壤样本的仪器，分别是“化学和矿物学分析仪”和“火星样本分析设备”。

       好奇号的机械臂上有钻头和小勺子，对于岩石，它会用钻头获取样本；对于土壤，用小勺子就可以了。取得样本后，机械臂上的筛子能够把直径大于150微米的颗粒剔除掉。完成这一步后，机械臂把样本倒入“化学和矿物学分析仪”的入口漏斗，然后通过震动让这些样本进入到仪器里。

       在“化学和矿物学分析仪”的内部，有32个像衬衫纽扣一样大的小盒子，它们是用来盛放样本的。它们安装在一个转轮上，这样就可以通过转动轮子来让任何一个小盒子位于X光的照射之下。从地球出发时，小盒子中已经有5个装上了地球的样本，这是用来做校准的。

       检测使用了X光衍射的方法，这也是第一次在火星任务中使用这种方法。负责该仪器的首席科学家自1989年以来就在研制X光衍射设备，他的很多技术已经商用，尤其是在发展中国家进行假药筛查。

       “火星样本分析设备”是整个火星车上最大设备，有一个微波炉那么大。如果是在地球上的实验室里，它所集成的那些仪器能会占很大的空间。它包括了一台质谱仪、一台激光分光仪和一台气相色谱仪。

       根据美国宇航局相关材料介绍，与当年登陆火星的海盗号相比，好奇号的“火星样本分析设备”在三个方面具有优势。首先，好奇号具有更好的机会。它的选址综合了近年来的发现，选择的是希望最大的区域。它也有更好的机动性，还可以钻取岩石样本。其次，“火星样本分析设备”的灵敏度大为提高，能够探测到含量低至十亿分之一的有机物质。第三，它使用的衍生技术让仪器的识别范围更广。

       在寻找水的努力上，好奇号还有一件利器，叫做“动态中子返照率设备”。这种设备实际上早先在地球上是用于石油勘探的，它发射出中子，然后通过观察中子与氢原子核相互作用后发生的能量变化来确定氢的存在。后来科研人员将它重新设计后用于月球和火星探测。在2002年，火星奥德赛号探测器曾经用这种设备发现了火星高纬度地下的水冰。

       好奇号全副武装，做好了一切寻找火星水和有机分子的准备。但科学家们并不确定他们真的能找到任何东西。“尽管火星上可能存在过生命这一点能够激起兴趣，如果发现火星上的条件不适合生命存在也是有价值的，这会有助于研究火星和早期地球之间的不同点和相似点。”美国宇航局强调。