美国 NASA“毅力号”成功登陆火星 开启寻找生命之旅

  作者:REN、大卫

  北京时间2月19日凌晨4点55分,美国NASA的 “毅力号”(Perseverance)探测器成功登陆火星,正式开始在这颗红色行星上探索生命存在的迹象。

  NASA 喷气推进实验室(JPL)首席工程师 Rob Manning 表示,“这次着陆完成的太棒了,成功证明了 NASA 是有效的,是成功的。我们齐心协力,共同努力,实现了这一目标。从国家的角度来看,许多问题都应该这样协力解决。”

  NASA 在直播中展示了 “毅力号” 着陆后传回的第一张图片,降落时沾到镜头上的尘土营造了一种朦胧感:

  美国 NASA“毅力号”成功登陆火星 开启寻找生命之旅

  (来源:NASA)

  去年7月和8月,阿联酋 “希望号”,中国 “天问一号”,美国 “毅力号” 先后发射升空,踏上了前往火星的漫漫征途。

  如今,三位远道而来的客人终于在火星聚首。

  大约一周前,“希望号” 和 “天问一号” 已经顺利制动进入环火轨道。阿联酋此次的任务只是环绕火星,不包括登陆。而中国计划完成 “环绕、着陆、巡视(探索)” 三个目标,所以 “天问一号” 会先环绕火星勘察3个月左右,之后再找合适的时机着陆。

  因此,没有环绕火星计划的 “毅力号” 虽然出发最晚,抵达火星最晚,却可以第一个完成登陆。

  着陆成功后,“毅力号” 将稍事休整,工程师将花费数周的时间对所有仪器和功能进行测试和校准。

  美国 NASA“毅力号”成功登陆火星 开启寻找生命之旅

  图 | 全副武装的 “毅力号”(NASA)

  校准结束后,它将再花几个月的时间前往 Jezero 火山口的第一个勘探地点。科学家相信,这里在38亿年前可能是一个火星湖床,有可能在此发现古代生命的化石遗迹。

  造价27亿美元的 “毅力号” 还有一个更重要的使命,那就是尽可能多的收集并保存土壤样本,然后静静等待未来的 “后辈” 带它回家(或许只有样本能回家)。

  NASA 此前表示,将火星土壤带回地球的任务可能需要超过十年的时间,一来一回,最早也要到2031年才能返回地球。

  登陆火星

  火星距离地球超过2亿公里,超远的距离让通信变得十分困难,单程延迟大约在11分钟左右。因此我们不可能在地球上实时控制火星探测器登陆,只能依靠探测器的自主登陆系统。

  NASA 在直播中透露,装有传感器的探测器在进入火星大气层时,可以感受到大气的减速,当减速足够明显时,系统便会开始控制探测器,尝试向着陆点导航,同时调节机身姿态。

  在降落过程中,可能会出现上百万种错误,着陆轨迹的微小变化都可能导致任务失败。因此,NASA 将火星车着陆的过程称为 “恐怖七分钟”(seven minutes of terror)。地球上的工作人员只有等到登陆结束后才能知道它有没有成功。

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  图 | NASA 根据传回的延迟信号模拟火星车是否成功降落(来源:NASA)

  当被隔热层包裹的火星车进入火星大气层准备降落时,速度最高可以超过5555千米 / 秒(2万公里 / 小时)。降落过程中,与大气之间的摩擦会让其表面温度迅速飙升,约80秒后达到最高温度,隔热层将承受最高1300摄氏度的考验,相当于最炙热的火山岩浆的温度。

  此时,受到隔热层保护的火星车却只能感受到室温(20度左右)。

  在降落开始大约四分钟后,“毅力号” 探测器距离火星地表约11公里,但时速仍然高达1500公里 / 小时。它这时将释放一个直径21.5米的超大降落伞,隔热罩也将很快剥离。

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  图 | NASA 传统,执行发射和着陆任务要吃花生(来源:NASA)

  探测器下方装有23个雷达仪器和摄像头,它们可以帮助火星车安全着陆,也能传回画面供工作人员分析。它还配有 “地形相对导航” 软件,能够处理相机拍摄的图像,并将其与机载地形图进行比较,从而确定航天器应该在哪些潜在的安全地点着陆。

  降落进入到最后一分多钟时,“毅力号” 距离地面约2公里,此时探测器将与外壳、降落伞分离,把自己的命运交给一台空中吊车(Sky Crane)。

  这是 NASA 在2012年首次启用的火星车降落技术,成功帮助 “好奇号” 减速并着陆。

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  图 | NASA 模拟动画演示,空中吊车帮助火星车着陆(来源:NASA)

  空中吊车配有8枚反冲火箭,通过三根尼龙绳与火星车相连,可以在短时间内减速至2.7公里 / 小时,几乎处于悬停状态。这使得火星车上的软件能有足够的时间在方圆100米的范围内寻找安全降落点。

  找到合适的降落点后,悬停在20米高空的空中吊车会慢慢将火星车放下,后者触地后,尼龙绳会被切断。

  完成任务的空中吊车会自行飞走,在离火星车尽可能远的地方寿终正寝。

  希望如果未来人类真的登陆火星,不要只顾着找火星车和样本,不妨也把它当作人类文明的历史文物保存起来。

  任务目标

  “勇气号” 与 “机遇号” 帮助人类更好地了解了火星上水的历史,“好奇号” 发现了复合有机物的证据,它们是组成生命的原始成分。

  这些证据告诉我们,火星过去可能是宜居的。“毅力号” 将迈出下一步,寻找古代外星生命的迹象。

  选择 Jezero 火山口,原因在于这里是有38亿年历史的远古湖床,它处于三角洲位置,沉积物中可能存在与生物、生命有关的有机化合物和矿物质。

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  图 | Jezero 火山口周围地貌(来源:NASA)

  “毅力号” 的23个相机将帮助科学家研究火星以获取生命证据。其中最主要的是 Mastcam-Z 相机,它可以拍摄立体和全景图像,并具有非常强大的缩放功能,可以放大需要进一步研究的目标,例如仔细寻找土壤模式和旧沉积物。

  此外,SuperCam 相机负责调查岩石中的化学和矿物成分,并配有麦克风,可用于识别火星天气。PIXL 和 SHERLOC 光谱仪将寻找复杂的生物学分子。SHERLOC 的 Watson 相机还将进行显微成像,分辨率可达100微米左右,与人类头发丝的直径相当。

  “毅力号” 需要花费数月时间前往 Jezero 火山口的第一个勘探点。如果火星上真的存在生命迹象,我们最早在今年夏天就能知道。

  全新技术:MOXIE 和 Ingenuity

  NASA 的每一项任务都运用了一些时下最先进的技术,“毅力号” 也不例外。

  第一种技术是 MOXIE。这是一种小型装置,旨在通过电解的方式将富含二氧化碳的火星大气转化为可用的氧气。这个过程已经在地球上模拟过,但它在火星上将发挥更重要的作用。

  氧气的生成不仅可以为将来的火星殖民提供可呼吸的空气,还可以提供用于火箭燃料的液态氧。“毅力号” 工作的前两年,MOXIE 大约有10次制造氧气的机会。每次将运行大约一个小时,产生6至10克氧气。

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  图 | MOXIE 设备(来源:NASA)

  另一种技术是 Ingenuity。这是一架1.8千克的小型直升机,有望实现火星上的第一次动力飞行。它的部署大约需要10天。

  Ingenuity 第一次飞行将升至空中约三米高,悬停和徘徊大约20秒。如果它能成功地在火星的超薄大气(密度为地球的1%)中飞行,那么它将有更多的机会飞往其他地方。

  直升机上配有两个摄像头,将帮助科学家准确查看火星的地貌。就其本身而言,Ingenuity 并不是火星探索任务的关键,但未来当漫游车无法满足探测需求时,直升机提供了另一种可能。

  美国 NASA“毅力号”成功登陆火星 开启寻找生命之旅

  图 | Ingenuity 直升机渲染图(来源:NASA)

  事实上,这些新技术并不是 “毅力号” 火星任务的关键。正如文章开头所说,它最关键的使命是寻找生物迹象,同时为将火星土壤样本带回地球做准备。这可能需要10年才能实现。

  探测器将钻入地面并收集40多份样本,未来 NASA 计划和欧洲航天局 ESA 合作执行一系列联合任务,最早可能在2031年将样本带回地球。

  收集土壤样本并非易事。样品处理臂(SHA)由美国卫星图像兼机器人公司 Maxar 制造,负责控制钻探工作,并从地面上采集火星土壤的岩心。在火星苛刻的自然条件下,该机械臂需要承受从晚上的 - 73°C 到白天20°C 的温度波动。

  但最大的难点是,它必须克服火星尘埃的影响。样品处理臂位于火星车下方,会暴露在车轮卷入的大量灰尘中。在最糟糕的情况下,如果设计不当,或者运行中出现了意想不到的小问题,一粒微小的尘埃颗粒就足以让机械臂瘫痪。

  现在,“毅力号” 的成功登陆令人激动,标志着它迈出了万里长征的第一步。未来,还有更多的挑战等待着它,科学家们期待着它能进一步揭开火星神秘的面纱。

  与此同时,这也让我们更加期待中国 “天问一号” 数月后的登陆任务,预祝 “天问一号” 探测器上还没有名字的火星车也能成功登陆。

  -End-