NASA 核動力火星車帶上無人機探索生命!1090 萬人訂了票的「毅力號」有多強?

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北京時間 2020 年 7 月 30 日 19 時 50 分,世界各地的網友在屏幕前用不同語言道出一聲「祝好運」,而屏幕里,則是本年度火星探測窗口期 3 號選手的發射現場。

NASA 核動力火星車帶上無人機探索生命!1090 萬人訂了票的「毅力號」有多強?

美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地(Cape Canaveral Air Force Station)41 號發射場,搭載著「毅力號」火星車(Perseverance Rover)的阿特拉斯 5 型運載火箭(Atlas V-541,又稱宇宙神 5 號)發射升空。

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終於,抱有美好「希望」的阿聯酋、從不乏「天問」精神的中國以及擁有強大「毅力」的美國,都順利向紅色星球進發!

生命跡象的探索之旅

對於火星車的命名,NASA 有個慣例——向兒童和青少年征名。

當地時間 2020 年 3 月 5 日,NASA 正式公布,新一代火星車名為 Perseverence(意為「毅力」),這個名字來自弗吉尼亞州的一位初一學生 Alexander Mather。

在發射任務直播節目一開始,NASA 也給出了英文單詞 Perseverance 的釋義:

persistence in doing something despite difficulty or delay in achieving success.(即便困難重重或不得已推遲,也要堅持不懈,成功做成某件事。)

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踏上火星漫遊,本就是一項重重困難的任務;而由於運載火箭 Atlas V-541 在測試環節中問題頻出,「毅力號」發射任務也不得已再三推遲。

好在,「毅力號」終於順利出發,預計將在火星上工作至少一個火星年(約為地球上 687 天)。

不同於只是繞火星軌道巡航的「希望號」和一次性完成「繞-落-巡」三步的「天問一號」,「壓軸出場」的「毅力號」按計劃將於 2021 年 2 月 18 日以「空中吊車」方式登陸火星,到達位於火星北緯 18 度、西經 77 度區域的傑澤羅隕石坑(Jezero Crater),開始尋覓形成於 35 億年前的火星古代微生物生命跡象。

同時,「毅力號」還將採集火星上的岩石和土壤樣本,從而為之後的火星採樣返回任務做準備。

實際上,此次任務在方方面面都將人類想要登上火星的美好願望展現了出來。

此次,「毅力號」將攜帶宇航服 5 個部位的不同材料樣本進入火星,以期在火星的強烈輻射下進行測試,直接解決「宇航員未來要在火星上穿什麼宇航服」的問題。

NASA 核動力火星車帶上無人機探索生命!1090 萬人訂了票的「毅力號」有多強?

在「毅力號」上,搭載著三枚特殊的晶元,上面蝕刻著全球範圍內的 1090 萬個在 NASA 官網預定了「火星船票」的火星愛好者的名字。

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可移動的實驗室

承載著 1090 萬顆好奇心的「毅力號」,作為美國第 9 個火星探測器,擁有著超強硬體。

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「毅力號」長 3 米、寬 2.7 米、高 2.2 米、總重 1025 公斤,配備有一個長約 2.1 米的五關節機械臂、43 個樣本採集管及一個 0.5 米長的樣本處理臂,用於樣本採集、分析。

為完成一系列高難度任務,NASA 噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)將「毅力號」打造成了一座可移動的實驗室,而最值得關注的主要有以下幾方面。

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首先是其總重 59 公斤的載荷。

具體來講,其載荷即 7 台科學儀器:

  • 變焦全景相機 Mastcam-Z:位於桅杆上,不僅能鑒定岩石成分、輔助火星車行進,還能得到高清晰度的全景 3D 立體圖像;

  • 火星環境動力學分析儀 MEDA:記錄、分析火星的大氣溫度、濕度、氣壓、風速、風向、沙塵大小與形態;

  • 制氧儀 MOXIE:這一儀器作為「毅力號」的亮點之一,不僅要嘗試從二氧化碳中提取氧氣,為未來宇航員登陸火星吸氧做準備,其製備的氧氣還能作為航天器返回地球的燃料來源,從而實現 NASA 的「造氧計劃」;

  • X 射線儀 PIXL:利用 X 射線對火星沙粒進行更為精準的分析;

  • 火星地下實驗雷達成像儀 RIMFAX:以厘米級解析度探測火星的地下結構;

  • 紫外光譜儀 SHERLOC:利用紫外激光分析物質,實現掃描可居住環境的目的;

  • 激光超距分析儀 SuperCam:遠距離分析岩石、土壤成分。

實際上,「毅力」號的「視覺系統」堪稱當今火星車之最——不止上述的相機,「毅力號」共配有 23 個相機,大部分都是彩色相機。

其次是「毅力號」上搭載的 2 個麥克風——既能收錄火星車登陸火星的聲音,火星上的風吹草動也可以捕捉得到,而這也是美國火星探測器首次配備有這樣的設計。若順利的話,人類將首次聽到火星上的聲音。

同時,「毅力號」沿襲了其上一代火星車「好奇號」(Curiosity)的核動力驅動設計。

「毅力號」的核動力源「多任務放射性同位素熱電發生器 MMRTG」由美國能源部提供,質量為 45 公斤,將利用鈈 238 原子核衰變釋放的熱量來產生 110 瓦的電能。此外,「毅力號」還包括兩個鋰離子可充電電池,作為瞬時大功率供電。

雷鋒網此前曾報道,在我國的「天問一號」探測器中,火星車以太陽能電池為動力。

相比太陽能供電,核動力擺脫了對太陽照射的依賴,靈活性更強,即便在夜間、沙塵暴天氣或冬季,火星車都可保證穩定運行。但另一方面,核動力驅動也存在缺點,一是成本較高,二是放射性元素的不斷衰變會使得功率逐漸下降,其使用壽命約 14 年。

第四點在於「毅力號」的車輪設計。

事實上,在設計「毅力號」的過程中,「好奇號」工程團隊亦有參與,大體上二者的設計較為相似。

不過,以「好奇號」為鑒,團隊還著重對「毅力號」的車輪做了性能優化,新一代的鋁製車輪更厚、更耐用,同時寬度變小、輪徑(52.2 厘米)更大。在車輪表面,覆蓋著用於牽引的楔子和用於彈性支撐的彎曲鈦輻條。

另外,其計算機控制系統也值得關注。

雷鋒網了解到,「毅力號」的計算機系統符合航空工業標準,包括 2 個相同的、互為備份的模塊,即 RCE(Rover Compute Element),採用了 IBM PowerPC 750 架構的抗輻射中央處理器 BAE RAD750,其運行速度比美國此前的「勇氣號」、「機遇號」火星所搭載的中央處理器快十倍。

正是因為「毅力號」車輪有所改進、儀器套件體積增大,加之火星車上新的取樣和緩衝系統,相比總重 899 公斤的「好奇號」,其重量足足增加了 17%。

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可見,從大腦到身體,從眼睛到耳朵,「毅力號」實現了全副武裝。

將無人機飛上火星

跟隨火箭升空的不止黑科技滿滿的「毅力號」,還有一架小型太陽能無人直升機「機智號」(Ingenuity)。

「機智號」重 1.8 公斤,只攜帶相機,將通過相機跟蹤估計速度,從而實現視覺導航。此次,「機智號」配備的是高通驍龍處理器、高通飛行控制面板以及 Linux 操作系統。

NASA 核動力火星車帶上無人機探索生命!1090 萬人訂了票的「毅力號」有多強?

按照 NASA 的「火星直升機實驗」計劃,「機智號」作為一款技術演示器,將在火星車著陸後的 60-90 個火星日後進行為期 30 天的飛行穩定性測試,預計最多飛行 5 次,每天飛行不超過 3 分鐘,每次航程最遠 300 米,最大高度 5 米。

值得一提的是,這架無人機雖說只是一款「試驗品」,但其設計規格仍然符合一款航天器的標準,可以承受火箭發射過程中產生的重力和振動。同時,「機智號」配備的抗輻射系統也保證了其在寒冷的火星環境中正常運行。

據了解,為建造「機智號」,NASA 已投資了約 8000 萬美元,另投資了約 500 萬美元,用以對直升機的運營。

可以說,此次試飛有望為行星探測直升機的開發工作邁出第一步。據工程團隊透露,下一代無人機的重量可能在 5-15 公斤,有效載荷為 0.5-1.5 公斤,將來無人機可能會與軌道飛行器實現直接通信。

阿特拉斯 5 型火箭加持

毫無疑問,上述計劃對火箭的運載能力也提出了較高的要求。

為此,NASA 選定了阿特拉斯 5 型運載火箭(Atlas V-541)出馬。

NASA 核動力火星車帶上無人機探索生命!1090 萬人訂了票的「毅力號」有多強?

這枚火箭名稱中的 541 實際上是指:

  • 5 米的有效載荷整流罩;

  • 4 個固體火箭助推器;

  • 1 個單引擎半人馬座上級。

實際上,阿特拉斯系列火箭作為美國老牌火箭,其運載歷史已有 60 余年。

1957 年 12 月 17 日阿特拉斯號火箭的首次發射升空,為這一系列火箭的發展拉開了序幕。20 世紀 50 年代,阿特拉斯 2 型得以發展,到了 60 年代,阿特拉斯 3 型開始廣泛運用。當地時間 2003 年 2 月 3 日,阿特拉斯 3 型正式退出歷史舞台。

隨後登場的阿特拉斯 5 型運載火箭由美國兩家百年航空公司——洛克希德馬丁公司、波音公司研製,隸屬聯合發射同盟。

NASA 核動力火星車帶上無人機探索生命!1090 萬人訂了票的「毅力號」有多強?

在此次發射任務之前,阿特拉斯 5 型已經執行過 4 次火星探測器發射任務,包括 2005 年的火星勘測軌道器、2011 年的「好奇號」、2013 年的「馬文號」軌道飛行器和 2018 年的「洞察號」。

我們的征途是星辰大海

20 世紀 60 年代以來,探測火星幾乎貫穿著整個人類航天史,但直到今天,全球範圍內火星探測任務成功率還不足五成。

不過,美國在火星探測史上,始終保持著先行者的地位。

首次接近火星並發回數據的,是美國探測器——1964 年 12 月 28 日,「水手 4 號」在距火星表面 9800 千米的上空掠過火星,向地球發回 21 張照片,終於打破了火星探測失敗的魔咒。

首次進入火星軌道的,也是美國的探測器——1970 年代,「水手 9 號」進入環繞火星軌道。

在此之後,1975 年的海盜 1 號和海盜 2 號、1996 年的火星探路者、2003 年的精神號和機遇號、2008 年的鳳凰號、2011 年的好奇號、2018 年的洞察號相繼出征,讓我們對紅色星球的認知不斷增加。

而此次「毅力號」,也將是 NASA 在半個多世紀「探火」基礎上的又一重要突破,不論最終成功與否,都將為世界航天事業做出了巨大貢獻。

值得一提的是,2020 年 7 月 27 日,我國首個火星探測器「天問一號」在離地球約 120 萬公里處回望地球,拍下一張地球與月球在茫茫宇宙中相望的圖片,目前「天問一號」也還在前往神秘火星的旅途之中。

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至此,2020 年火星探測窗口期的三次發射任務都已順利完成,祝願三項任務最終都能圓滿成功,正如中國國家航天局局長張克儉所說:

探索浩瀚宇宙是全人類的共同夢想。讓我們以「天問」的勇氣,堅韌的「毅力」,奔向新的「希望」。

引用來源:

https://mars.nasa.gov/mars2020/

http://www.spaceflightfans.cn/event/atlas-5-launch-mars-2020-rover/comment-page-1

https://www.huxiu.com/article/372166.html

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