【原创文章】万字长文解析美国2020火星车——“毅力”号

【深度】美国2020火星车发射升空,中、美、阿三国探火大战正式打响!

阿联酋(火箭为日本)、中国、美国的火星火箭均已完成使命!

伴随着宇宙神5号火箭的轰鸣声,NASA今年最重要的深空探测任务——“毅力号”核动力火星车紧随我国的“天问一号”探测器,踏上了奔向火星的路途。后续的火星着陆(EDL)“暗战”将在中美之间展开,恰似当今世界形势,可见航天是国家实力的延伸之言不虚。美方选手是经验丰富的喷气推进实验室(JPL),中方选手是在火星探测上初露锋芒的中国航天科技集团。正所谓知己知彼,今天我们好好聊聊NASA的毅力号。

本文作者:不会游泳的鱼,本号授权发表,全文约一万字

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今天的主角——毅力号火星车

 

1 概述

美国于东部时间2020年7月30日,由“宇宙神-V”火箭执行“火星2020”发射任务。如果本次任务成功,“火星2020”[本次任务名称为“火星2020”(Mars2020),携带的火星车名称为“毅力号”(Perseverance)]将是美国火星探测史上第9次火星着陆任务(不含1次失败任务),其携带的“毅力号”是美国第5辆火星车。
回顾火星探测发展历程,“毅力号”是继“索杰纳”(1996年)和“勇气号”/“机遇号”(2003年)之后,与“好奇号”同属美国第三代火星车,其发展历程大致经历了如下几个阶段:
(1)第一阶段(1970年-1980年):该阶段典型的探测器为“海盗-1/-2”。“海盗”号成功完成了软着陆任务,在火星表面持续工作分别超过了3年和6年,拍摄了上百张照片,进行了气象测量,完成土壤取样和土壤分析,所有这一切都是20世纪70年代令人瞩目的成就。不仅如此,它70度半锥角气动外形、气囊式着陆技术、降落伞技术为美国后续的着陆任务奠定了坚实的基础。

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海盗号模型,前景人为卡尔·萨根
(2)第二阶段(1990年-2010年):“火星探路者”是该阶段首个成功的火星表面巡视任务。虽然携带的火星车——“索杰纳”质量只有10.5kg,但是它在将技术与科学目标相结合,着陆器与漫游车相结合方面取得了巨大的成功。进入新世纪后,另一个探索项目也取得了举世瞩目的成就,即“勇气号”和“机遇号”。它们表现十分出色,最初设计寿命仅为90火星日(24小时39分钟,和地球基本一样),行程600m,然而“勇气号”工作到2010年,在火星表面工作了2208个火星日。“机遇号”竟然持续工作到2019年,在火星表面工作长达5352个火星日。

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火星探路者在测试中(电池板上小车),JPL标志清晰可见
(3)第三阶段(2011年-至今):“好奇号”是继“索杰纳”和“勇气号”/“机遇号”之后第三代火星车,标志着人类火星表面巡视任务由百公斤量级进入了上千公斤量级。“毅力号”将为未来火星取样返回和载人登陆火星奠定基础。
“火星2020”是美国国家研究委员会(NRC)在“十年调查”报告中推荐的最高优先级的旗舰型任务。本文将从科学目标、探测器方案,以及任务阶段等几个方面详细阐述“火星2020”任务。

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勇气号(又称精神号)在测试期间
 
2 任务目标和着陆点
2.1 任务目标
“火星2020”任务主要包括以下四大科学目标:
(1)寻找火星存在生命的迹象
探索火星远古时期环境,进一步揭开火星地质演变过程与地质历史之谜,并评估火星的宜居性。重点研究火星表面环境,在远古时代火星环境中形成的岩石样品中寻找保存下来的生物迹象,这些岩石环境可能有利于微生物生存。这是人类第一次旨在寻找过去微生物生命迹象的火星车任务。
(2)寻找潜在的生物标记物
评估生物标记物保存的可能性,并寻找可能的生物标记物,可以帮助确认火星是否存在过生命。生物标记物是由生物作用产生的物质或痕迹,例如几乎不可能在没有生命存在的环境下形成复杂的有机分子。生物标记物不可能孤立地出现,一般会和相关的环境紧密联系在一起,因此寻找生物标记物也对评估环境有着重要的作用。
(3)为获火星采样返回做技术积累
通过轨道探测和原位探测,大大加深了对于火星的认识,但是一些非常重要的科学问题,如精确定年、寻找生命、重建环境演化历史(地表、水下、还原、氧化)和地质事件(火山灰的沉降、熔岩流动、断层活动、岩脉充填),都需要通过对带回的样品进行深入的研究才能解决。然而火星采样返回是一项非常具有挑战的任务,基于经费和技术的限制,“火星2020”任务只是整个采样返回任务的第一步,验证新的技术,并为带回样品的后续任务提供技术积累。
(4)为载人火星探测做好准备
“火星2020”任务主要从以下3个方面支持未来载人火星探测任务:1)任务设计,如通过对火星大气密度和风的研究改进现有的火星进入、下降和着陆技术等;2)人员的生命安全,如行星际航行和火星表面的辐射、有毒物质(如尘埃)或可能的地外生命的威胁;3)任务的实施,如避免污染火星的特定区域,以及避免火星尘埃导致电子设备的故障等。
 
2.2 着陆点的选择
经过3次着陆区选择研讨会,从上百个候选着陆区遴选出3个:Jezero撞击坑、NESyrtis与ColunmbiaHills(Gusev),分别代表了可能的湖泊环境(Jezero)、地下热液环境(NESyrtis)和地表热泉环境(ColunmbiaHill),都很可能孕育过生命。最终,杰泽罗(Jezero)陨石坑(18.8°N,77.5°E)胜出。
Jezero位于大瑟提斯(SyrtisMajor)火山的东部,直径约45km,在远古时期很可能是一个湖泊。汇入其中的河流经过了大面积区域,携带了不同地区的沉积物,在撞击坑内堆积形成了两个三角洲,并出露了非常明显的层状沉积结构。

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图1 杰泽罗(Jezero)陨石坑
 
3 “火星2020”探测器设计方案
“火星2020”探测器系统由巡航级、下降级、减速器和火星车等组成,此外还包括一架用于技术验证的火星直升飞机。
3.1 进入、下降及着陆(EDL)系统
“火星2020”的进入、下降及着陆(EDL)沿用了“好奇号”的三级减速(气动外形减速、降落伞、反推发动机)+空中吊车缓冲的着陆方式。结构上包括:气动外形减速器、降落伞、下降级,以及空中吊车。气动外形减速器由一个背罩和隔热罩组成,可以保护火星车免受进入火星大气层时所经历的高温。下降级通过反推发动机减速,并将火星车安全送到地面。

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图2“火星2020”EDL系统
 
3.2 “毅力号”火星车
“毅力号”是美国火星探测历史上第5辆火星车,之前分别是:“索杰纳”(1996)、“勇气号”/“机遇号”(2003)、“好奇号”(2011)。从质量上来看,大小和“好奇号”相当,尺寸为3m*2.7m*2.2m,“毅力号”质量约1025kg(含机械臂45kg),机械臂长约2.1m。从性能上来看,“毅力号”和“好奇号”属于同一代火星车,相比“索杰纳”和“勇气号”/“机遇号”有了很大的提升。
移动系统:
“毅力号”的移动系统继承了传统的六轮摇臂-转向架火星车结构,这种设计因其卓越的稳定性和障碍攀爬能力而成为成熟的机动装置应用方案。早在“索杰纳”开始,JPL就设计了这种移动结构,“勇气号”和“机遇号”在性能上做了改进,“好奇号”和“毅力号”则沿用至今。与“好奇号”一样,轮子采用轻质铝合金材质,都专门设计了凸起的花纹以适应为火星崎岖地形,但比“好奇号”的更窄、更高。

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图3 试验中的“毅力号”火星车
电源系统。为了确保火星车能够在极端环境下工作(如火星沙尘暴),“毅力号”沿用了“好奇号”的多任务同位素热电发生器(MMRTG)。在任务初期,MMRTG可产生110W的能量。此外,还配备了2个锂离子储能电池。

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图4 安装在“毅力号”上的MMRTG
通信系统:
在巡航段期间的前2个月,“火星2020”利用位于气动外形背罩上的低增益天线(LGA)与地球进行通信。随着飞行距离逐渐远离地球,则改用巡航级上的中增益天线(MGA)对地通信。
在EDL阶段,采用的是3个UHF天线通信中继通信。在进入火星大气层前几分钟,安装在背罩上的UHF天线开始工作,直至背罩与下降级分离;之后,安装在下降级上的UHF天线开始工作;到达火星表面后,“毅力号”火星车上的UHF天线开始工作。在着陆期间,UHF天线将数据传输至在轨的MRO和MAVEN轨道器,MRO再将EDL数据实时传输至地面站。
与此同时,EDL期间还采用X波段低增益天线对地直接通信。EDL开始时,位于背罩上的PLGA开始工作;当进入火星大气层执行进入制导模式时,位于背罩上的TLGA天线开始工作;当背罩分离后,下降级上的DLGA开始工作。

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图5 “火星2020”天线的布局图
机械臂:
与“好奇号”类似,“毅力号”的机械臂长约2m。在机械臂的末段,安装了一个机械臂手(Turret)。然而,由于携带了2台科学仪器(SHEROLC和POLX,详见3.2节)和1台用于近距离成像的相机,“毅力号”的机械臂手更重(约45kg)。
样本获取、存储及封装。机械臂手具有更强大的岩石钻取功能,可将岩石样本收集在样本管(SampleTube)内。再将封装好后的样本管安放在样本缓存装置(Cache)中。之后,将样本缓存装置存储在在轨容器中(OrbitingSampleContainer),择机返回地球。

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图6 样本缓存装置
视觉系统。“毅力号”是迄今为止携带相机数量最多的行星际探测任务,共携带了23台相机。其中,19台安装在火星车上,3台安装在背罩上,1台安装在下降级上,2台在火星直升机上。
  • 火星车相机包括:其中9台工程相机(彩色);3台EDL相机(1台地形相对导航黑白相机,2台彩色EDL相机);2台桅杆变焦相机;1台超级相机(彩色);2台SHERLOC相机(彩色);1台PIXL相机(具有部分彩色能力的黑白相机);1台MEDA相机(黑白);
  • 背罩上的相机包括:3台用于拍摄降落伞展开的彩色相机(向上看);
  • 下降级上的相机包括:1台从下降级上拍摄火星车的彩色相机(向下看);
  • 火星直升机相机:1台彩色地形成像相机,1台黑白导航相机。

 

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图7 “毅力号”携带的视觉系统
 
3.3 火星车上的科学仪器
“毅力号”火星车携带了7台科学仪器,质量约为59kg,在火星上进行前所未有的科学和技术试验。下图展示了科学仪器的部署位置。

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图8 “毅力号”火星车七台科学仪器部署位置
 
(1)桅杆变焦相机(MastCam-Z)
桅杆变焦相机(MastCam-Z)是“毅力号”火星车的主成像系统,它具有全景和三维立体成像功能,并且具有变焦功能,可远距离对火星表面物体进行变焦放大。
两个桅杆变焦相机(MastCam-Z)安装在“毅力号”火星车的桅杆上,距离火星表面高度约2m,两个相机间距24.2cm,用于提供立体视觉成像。该相机主要技术参数如下表:

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桅杆变焦相机(MastCam-Z)具有强大的视觉成像功能。其主要特点有:1)它能挑选出保存了火星过去生命迹象的岩石,能够协助科学家分辨出哪些岩石应该钻取,哪些需要暂时存储(Cache),哪些应该返回地球。2)它还能勘查火星车周围岩石及土壤的特质,帮助我们寻找生命的迹象。3)科学家可以利用MastCam-Z寻找火星远古时期湖泊、河流等与水相关的特征。4)由于具有出色的变焦功能,MastCam-Z视觉成像功能相当强大。5)“毅力号”同样继承了“好奇号”360度彩色三维成像的自拍功能。
 
(2)火星环境动态分析仪(MEDA)
火星环境动态分析仪(Mars Environmental Dynamics Analyzer, MEDA)是一整套用于测量和监测火星表面风速、风向、温度、相对湿度、压力,以及火星大气尘埃粒子大小和数量的传感器。

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火星环境动态分析仪(MEDA)将提供:火星每日天气变化报告、火星辐射,以及火星风向和风速变换等信息,这将为载人登陆火星做好准备。其主要任务有:1)研究火星尘埃环境。2)辅助预测天气。3)测量火星辐射。4)测量水蒸汽。5)MEDA将显示火星尘埃及天气如何对“毅力号”火星车的性能产生影响。
 
(3)火星氧气原位资源利用试验(MOXIE)技术演示
为了为未来载人探测火星做准备,NASA在“毅力号”火星车上搭载了MOXIE,用于在火星大气中制备O2,作为未来航天员往返火星与地球之间的火箭推进剂燃料,以及火星表面生保系统所必须的O2。

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MOXIE只是技术演示验证设备,其大小只是相当于电动汽车的电池。然而,未来满足载人火星任务的氧气制备系统将是MOXIE的100倍。
 
(4)X射线岩石化学行星仪(PLXL)
X射线岩石化学行星仪(PLXL)由X射线荧光光谱仪和高分辨率成像仪组成,用于绘制火星表面材料的精细元素组成图。X射线光谱仪用于识别极小微粒的化学物质,高分辨率成像仪用于拍摄岩石和土壤特征。PLXL将提供比以往更详细的化学元素检测和分析能力。

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PLXL主要功能是寻找火星远古时期生命的迹象,它不但灵巧轻便,而且功能强大。其主要特点有:1)PLXL的X射线可以聚焦在小到一粒盐大小的岩石上,并能分析出其岩石特征,从而找到任何可能残存的微生物生命迹象。2)PLXL性能远超同类仪器,可以检测多达20余种的化学物质成分,即便含量只有百万分之几,它仍能精确地找到岩石中每种化学物质成分。
(5)火星亚表层雷达成像仪(RIMFAX)
火星亚表层雷达成像仪(RIMFAX)将提供厘米级火星亚表层地质构造特征成像。

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火星亚表层雷达成像仪(RIMFAX)是NASA首个测量火星亚表面雷达探测器。它将揭开火星亚表层地质构造。此外,探测火星10m以下的亚表层水、冰。
 
(6)利用莱尔曼及发光原理探测宜居环境中有机物和化学物质(SHERLOC)光谱仪
SHERLOC光谱仪主要用于探测矿物、有机物和潜在微生物。一台高分辨率彩色相机用于火星表面显微成像;绘制矿物学和有机化合物图。

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(7)超级相机(SuperCam)
超级相机(SuperCam)是一个遥感载荷,包含有遥感光学测量和激光光谱仪,可以提供远距离成像(最远7m)、化学成分分析和矿物学机理分析。包括4个光谱仪:激光诱导剥蚀光谱仪、拉尔曼光谱仪、时间分辨荧光光谱仪、可见光和红外反射光谱仪。同时,SuperCam的激光能够清除样品表面的灰尘,从远距离获取灰尘下的表面物质信息。该载荷还含有彩色远程微成像仪,能够获取高分辨率的样品影像。

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3.4 “灵巧号”火星直升机
(1)主要目标
“灵巧号”火星直升机是一项技术演示验证项目,也是首次在火星稀薄大气中进行技术验证飞行。“灵巧号”的主要目标是:1)在火星稀薄的大气层中验证有动力飞行的可行性。2)利用微型电脑、电子设备和其他部件验证微型飞行技术。3)在接收到由“毅力号”火星车中继通信指令后,“灵巧号”每次试飞都是在没有地面任务控制人员实时控制的情况下进行的,从而验证自主工作的可能性。

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图9 “灵巧号”火星直升机构想图
(2)火星直升机构型
“灵巧号”是一架可自由飞行的飞行器,质量约1.8kg,高0.49m。两片反向旋转叶片,长度为1.2m,转速2400rpm。机身尺寸为13.6*19.5*16.3cm,四条支腿长约0.384m,直升机机身离地面0.13m。“灵巧号”使用太阳电池翼供电,储能电池为锂离子蓄电池。在一个火星日中,可飞行90s,飞行期间平均功率350w。机身布局见下图。

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图10 “灵巧号”火星直升机布局图
“灵巧号”安装有一台中央计算机、惯性测量单元(IMU)、激光高度计、倾斜仪、加速度计和陀螺,所有这些设备都被封装在方形的绝缘体机身中。“灵巧号”携带了2台成像系统:1台30万像素的宽视场全景导航相机,用于跟踪直升机的位置;1台1300万像素的彩色相机,用于捕捉最低点到高于地平线的表面。2台成像系统安装在都在机身底部(沿名义飞行方向的垂直方位)。

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图11两台成像系统的安装位置
(3)火星直升机的展开
在展开飞行前,直升机以折叠状态部署在火星车的底部。在着陆后50-80个火星日后,当地面操作人员选择好合适的展开地点,直升机将会在光滑、平坦、岩石相对较少的区域展开。火星直升机的展开地点要求不小于10m*10m的区域,因为直升机还需要进行3次着陆。此外,必须对直升机展开区域的斜坡和岩石进行准确的测量。尽管在轨数据没有足够的分辨率来评估这些需求,但可用的数据表明,在Jezero陨石坑内应该有相对较多的平坦和岩石较少的区域。当直升机展开后,火星车将驶入安全区域,对直升机进行拍照。
(4)火星直升机的工作
在飞行期间,直升机将通过基站与火星车通信,并拍摄表面图像。通过直升机的运动可以获得立体图像。地面操作人员使用着陆前获得的图像来定位直升机的相对位置,为下一次飞行做准备。飞行期间获取的数据存储在直升机的非易失性存储器中,之后再传输到火星车上,再由火星车中继通信传输给地球。按计划,直升机在一个月内将执行5次飞行试验,飞行难度一次比一次复杂。
在执行下一次飞行任务前,太阳能电池翼将为锂离子蓄电池充足电。直升机拍摄的图像,可以与在轨高分辨率图像和火星车拍摄的图像相互参照,重新规划飞行路径。火星直升机还提供了另一种独特俯视图像,用于研究火星地质和地貌,其分辨率介于在轨高分辨率图像和火星车图像之间。

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图12“灵巧号”火星直升机操作图
 
4 “火星2020”任务阶段
4.1发射及巡航段
本次任务的发射窗口为2020年7月20-8月11日,由“宇宙神-5”541在卡纳维拉尔角空军基地发射升空,预计着陆时间为2021年2月18日。
发射之后,将经历约213天的地火巡航。巡航期间将执行3次轨道修正机动,在最后抵达火星的前45天,将执行2次轨道修正机动。
4.2 进入、下降及着陆段(EDL)
4.2.1 EDL过程
EDL阶段从进入火星大气层顶部开始,直至火星车安全着陆到火星表面结束,历时7分钟。整个EDL过程包括大气层进入段、降落伞减速段、动力下降段、空中吊车段,详见下图。
大气层进入段:
初始进入阶段环境变化快,不确定因素多,在很大程度上决定了着陆的成功与否。该阶段最关键的因素是高精度的制导导航与控制。在进入段,沿用了“好奇号”的进入制导技术,即通过控制滚转角改变升力方向,达到控制飞行轨迹的目的。在进入大气层前10分钟,与巡航级分离。之后,巡航级质量配平装置分离。进入开始约80s后,达到峰值温度。
 
降落伞减速段:
降落伞下降段的难点在于低密度、超声速条件下的开伞。降落伞在超声速条件下存在开伞困难、开伞不稳定、阻力系数下降等问题。“火星2020”采用了一项新技术——距离触发(RangeTrigger),用来精确计算降落伞展开时间。
“火星2020”降落伞在进入后约240s后开伞,展开后直径约21.5m,此时距离火星表面高度约为9-13km,速度约420m/s。降落伞打开后20s,热防护罩分离。此时距离火星表面高度7-11km,速度约160m/s。355s时,测高雷达开启,着陆视觉系统工作,此时距离表面4.2km。之后背罩分离,高度约2.1km,速度下降到80-110m/s。

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图13 “火星2020”EDL过程
动力下降段:
在动力下降段,下降级上8个着陆发动机点火。下降速度由110m/s下降到0.75m/s,高度由2100m下降到20m。动力下降段状态变化比较平缓,导航测量信息多且精度较高,影响着陆精度的主要是制导控制精度。
空中吊车段:
410s后进入空中吊车段,该阶段沿用了“好奇号”空中吊车技术,这种技术相比气囊和支腿式着陆具有很多的优势:一是两个机体结构远离火星表面,最大程度减少表面接触;二是采用缆绳设计,着陆速度较低,着陆稳定性和冲击负荷优于其他着陆系统。
空中吊车着陆过程:
着陆操作开始后,下降级保持0.75m/s的下降速度,同时以0.75m/s的速度释放缆绳和火星车。当吊索(7.6m)完全释放以后,继续保持0.75m/s的下降速度,直到火星车着陆(Touchdown),然后断开吊索,下降级飘离(FlyAway)。
 
4.2.2 EDL采用的新技术
在EDL过程中,除了沿用“好奇号”着陆技术之外,“火星2020”任务采用了距离触发技术、地形相关导航技术、火星EDL着陆仪器-2等新技术。
(1)距离触发技术
距离触发(RangeTrigger)是“火星2020”任务采用的一项新技术,用来精确计算降落伞展开时间。在EDL期间,根据位置导航信息,自主更新降落伞展开时间。采用距离触发技术最大优势在于,能缩小着陆椭圆的范围。
之前的火星着陆任务,着陆精度相对较低,要花几周甚至几个月的时间才能行驶到主要目标地点。距离触发技术可以将着陆椭圆区域面积缩小50%以上。基于该项技术,也可以使下一次火星着陆任务更接近样本缓存站点。以下图为例,红色椭圆表示采用距离触发技术的着陆椭圆,蓝色表示“好奇号”的着陆椭圆。从图中所示,着陆精度明显提高。

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图14 “火星2020”任务采用的距离触发技术
(2)地形相关导航技术
地形相关导航技术(Terrain-RelativeNavigation,TRN)是一种创新的EDL技术。从科学目标而言,科学家最感兴趣的探测地点可能位于复杂的地形中,可能保存着火星上过去生物生命的迹象,然而从工程角度来看,可能对于着陆而言风险很大。很多潜在的着陆点都是无法进入的。采用距离触发技术,当在下降过程中探测到复杂地形,可以自主转向更安全的着陆区(见图15)。
火星轨道器在轨拍摄了火星地形照片,并创建了包括已知危险在内的着陆点地图,存储在“毅力号”火星车的计算机内。在降落伞下降段,“毅力号”火星车会拍摄快速下降的照片,并将照片中的地标与存储在计算机中的地图进行快速比较。如果它正驶向直径约300m的危险区域,火星车可自主改变方向,在安全的区域着陆。

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图15 “火星2020”着陆新技术
在之前的着陆任务中,EDL的估算误差大约为1-2km,在进入大气层期间估算误差增长到约2-3km。利用地形相对导航技术,“毅力号”火星车在降落伞下降段估算其的位置,误差精度可以提高到600m。
(3)火星EDL着陆仪器-2(MEDLI-2)
火星EDL着陆仪器-2(MSLEntry,DescentandLandingInstrument)是在MSL任务的基础上开发的第二代传感器套件。“好奇号”上的MEDLI仪器只收集了防热罩(前罩)上的数据,MEDLI-2将收集防热罩(前罩)和背罩上的温度、压力和热等数据。一方面,这些数据帮助工程师验证设计的模型,以改进未来任务中的EDL系统。另一方面,MEDLI-2和火星环境动态分析仪(MEDA)测得的大气数据可以帮助了解火星大气密度和风,对于降低无人任务和未来的人类火星任务的风险至关重要。

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图16 “好奇号”火星车上的MEDLI(MEDLI-2与其类似)
4.3 表面操作段
“毅力号”火星车表面操作段是最具特色的,与之前的巡视任务不同,作为火星采样返回的首次任务,“毅力号”将采用“样本缓存”(Cache)的方式在火星表面开展工作。所谓的“样本缓存”,是指火星车在找到感兴趣的样本之后,将其存放在样本采集点,待下一次火星任务再将其带回地球。具体见下图:

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图17 “毅力号”火星车表面操作示意图
红色*为火星车着陆点,蓝色为存在感兴趣样本的区域,位于中间的蓝色站点作为样品缓存点(在“毅力号”收集到样本后,存在此处)。在主任务期间,“毅力号”沿着白色实线行驶;在拓展任务中,火星车将沿着白色虚线前往其他感兴趣的区域,收集更多的样本。
“毅力号”在火星表面操作段的主要工作目标是:一是寻找具有科学价值的岩石,这些岩石在火星远古时期微生物存在的环境下形成或演化而成;二是找到能够保存火星远古时期生命化学痕迹(生物特征)的岩石;三是从大约30个目标岩石和土壤(风化层)中钻取岩芯样品,并将它们临时存放在火星表面的缓存站点;四是验证火星ISRU技术,即从火星二氧化碳大气中生产氧气的技术,以支持未来的载人火星任务。
具体工作步骤如下:
(一)找到具有科学价值的岩石
首先,确定有希望发现生命迹象的岩石目标,选择范围主要是那些在水中形成或被水改变的岩石(这些岩石中有希望发现有机分子,它们是构成生命体的主要化学物质)。一些特殊类型的岩石可以保存数十亿年的生命化学痕迹。除了这些特殊的岩石外,火星车还收集火山岩和其他岩石,以帮助建立随着时间的推移而形成的地质记录和环境变化记录。
(二)收集岩石样本
一旦科学家确定了感兴趣的岩石目标,“毅力号”火星车就会从中钻取出一个岩芯样品,在钻头的旋转冲击下,可穿透深至5cm。
(三)岩石样品封装
火星车将钻取的岩芯样品收集在样本管中(SampleTube),并进行封装。每个样本管大约可存放约15g样本。
(四)样本转运
封装后的样本管临时安放在“毅力号”上的储藏架上,由地面任务管理人员决定何时何地将其转运到指定的样本存放地点。
(五)样本缓存
“毅力号”火星车将样本放在火星表面的同一位置(如上图中间蓝色位置),以便在未来任务中再次获取,并将其带回地球。“毅力号”火星车可以缓存超过30个选定的岩石和土壤(风化层)样品。在轨的火星轨道器(成像精度约为1m)将协助寻找样本位置。
 
5 结束语
人类火星探测经历了半个多世纪,取得过辉煌的成就,也有过痛苦的失败。随着科技的迅猛发展,火星不再是少数几个国家光顾的场所,越来越多的新兴航天国家也向往着这颗神秘的星球。今年我们也开启了首次独立火星探测——天问一号。后续的火星着陆(EDL)“暗战”将在中美之间展开,恰似当今世界形势,可见航天是国家实力的延伸之言不虚。美方选手是经验丰富的喷气推进实验室(JPL),中方选手是在火星探测上初露锋芒的中国航天科技集团
如果中国此次任务成功,将成为世界上首个通过一次任务就实现火星“绕、落、巡”的国家,至此中国航天在火星探测上的技术水平将一步超越欧、俄(苏联)、日本、印度、阿联酋,直接靠齐美国。
如果美国此次任务成功,将继续巩固其在火星探测上的领先地位,更重要的是将为后续的火星采样返回任务拉开序幕,地球上的人类有望首次获得主动采样而来的火星样本。
火星之路从来就不是一番风顺,但人类探索未知的脚步从未停止。谨以此文,向全球的火星工作者致敬!预祝2020年火星任务取得圆满成功!

 

 

(全文完)

【深度】美国2020火星车发射升空,中、美、阿三国探火大战正式打响!


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