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NASA毅力號直播攻略來了!萬字長文詳解火星任務

本文來源:學術頭條,作者:學術頭條,編輯:曹綺桐、劉藝馨、周子嫄,頭圖來自:視覺中國

美國太平洋時間 7 月 30 日上午 4:50/美國東部時間上午 7:50,也就是台灣時間 7 月 30 日(周四)下午 7:50,美國國家航空航天局(NASA)當下最先進的火星探測車——“毅力”號預計將從佛羅裡達州卡納維拉爾角空軍基地 41 號發射場發射升空。

其任務是尋找形成於 35 億年前的火星三角洲 Jezero 火山口上的古代微生物生命跡象,收集和存儲可能包含外星生命最初證據地質樣本,並有朝一日將其帶回地球。預計火星著陸時間為 2021 年 2 月 18 日。

如果錯過了 7 月 30 日的第一次發射時機,在接下來的三周時間裡,即從 7 月 30 日持續到 8 月 15 日,每天都有大約兩個小時的發射窗口,只不過每天發射窗口的時間都在變化。

一、直播攻略

7 月 29 日全天,卡納維拉爾角和噴氣推進實驗室的 NASA 專家團隊將直播發射倒計時及交流。

直播地址:https://www.youtube.com/nasa

發射活動結束後,任務組成員將召開新聞發布會。

直播地址:https://www.youtube.com/nasa

注:時間表是初步的,隨時可能更改。直播活動結束後,點播錄製的視頻也將在YouTube和Ustream頁面上提供。

二、數據詳解

發射總質量(包括火箭、“毅力號”火星車和“首創號”火星直升機):約 117 萬磅(53.1 萬公斤)

“毅力號”火星車探測器詳解

質量:大約 2260 磅(1025 公斤)

尺寸:長約 10 英尺(不包括機械臂),寬 9 英尺,高 7 英尺(長 3 米,寬 2.7 米,高 2.2 米),機械臂長約 7 英尺(2.1 米)

載荷:130 磅(59 公斤),包括 7 台儀器:Mastcam-Z、火星環境動力學分析儀(MEDA)、火星氧氣原位實驗資源利用率(MOXIE)、行星 X 射線儀(PIXL)、火星地下實驗雷達成像儀(RIMFAX)、掃描可居住環境的曼光譜儀(SHERLOC)和超級相機

樣本采集系統:用於樣本采集和表面分析的鑽頭,1 個 1.6 英尺(0.5 米長)長的內部樣本處理臂和 43 個樣本采集管

麥克風:1 個攝影頭在超級攝影機上,1 個在月球車側面,攝影用於公眾觀看,以及為隨後的火星進入、下降和著陸提供分析資料

此外還有由美國能源部提供的多任務放射性同位素熱電發電機(MMRTG),利用鈈-238 的自然衰變產生約 110 瓦的穩定電流。當需求暫時超過 MMRTG 的電力輸出水準時,兩種鋰離子可充電電池可以滿足火星車的峰值需求。

“首創號”火星直升機詳解

質量: 4.0 磅(1.8 公斤)

高度:1.6 英尺(0.49 米)

轉子系統:兩條反向旋轉的葉片,直徑 4 英尺(1.2 米),轉速大約在 2400 rpm

機身尺寸:0.446 英尺、0.64 英尺、0.535 英尺(13.6 厘米,19.5 厘米,16.3 厘米);四條支撐架,每條支撐架約 1.26 英尺(0.384 米)長,使直升機在地面上有0.427 英尺(0.13 米)的淨空距離。

相機系統詳解

“毅力號”將攜帶 25 台相機前往火星,這是深空探索史上最大規模的一次。

火星車上共 19 台攝影頭:9 台工程用(彩色)攝影機;3 個用來輔助火星車的進場、下降、著陸(其中,1 個是黑白攝影頭,用於地形相對導航,2 個是彩色攝影頭,用於進場下降著陸,公眾視頻傳播,以及工程改造);2 個全景攝影機(支持彩色和放大);1個超級相機(彩色);2 個拉曼和熒光光譜儀;1 個行星 X 射線儀(黑白,有一些彩色功能);1 個火星環境動力學分析儀(黑白)

背面 3 個攝影頭:彩色,用於抬頭捕捉降落傘畫面

降落台上有一個攝影頭:彩色,從上面俯瞰月球車

2 台獨創性相機:1 個彩色斜視地形圖像和 1 個黑白導航

其它數據

登陸火星時間: 暫定於 2021 年 2 月 18 日,美國東部時間下午 3:30(太平洋標準時間下午 12:30)

著陸地點:Jezero 隕石坑,大約緯度 18 度,經度 77 度

光(無線電)從火星到地球的單向時長:2021 年 2 月 18 日時大約為 10.5 分鐘

任務持續時間:至少 1 火星年(約地球上的 687 天)

能夠收集的樣本數量:至少 30 個

“首創號”飛行測試時間:30 火星天(約地球上的 31 天)

火星尺寸:大約是地球的一半,但是月球的兩倍。

火星質量:約地球質量的 10%

火星重力:約地球重力的 38%

火星軌道:橢圓軌道,比地球離太陽遠 1.5倍(從太陽到火星平均約 1.415 億英裡或 2.277 億公里)

1個火星年:地球上的 687 天

1個火星日:24 小時 39 分鐘

火星大氣:大約地球表面大氣密度的 1%

火星溫度:表面平均溫度為零下 64 華氏度(零下 53 攝氏度),從極地夜間的零下 199 華氏度(零下 128 攝氏度)到赤道正午距離太陽最近的 80 華氏度(27 攝氏度)

資金投入數據

美國宇航局已經投資了大約 24 億美元來建造和發射火星 2020 毅力號任務。在執行主要任務期間,著陸和運行“毅力號”火星車的費用大約是 3 億美元。

美國國家航空航天局已經投資了大約 8000 萬美元來建造火星直升機,並投資了大約 500 萬美元來運營這架直升機。

三、任務詳解

火星 2020 任務的關鍵階段是發射、巡航、到達(也稱為進入、下降和著陸),以及火星表面操作。

在為期至少一個火星年(約 687 個地球日)的主要任務期間,“毅力”號對耶澤洛隕石坑的探測將解決火星探測的高度優先科學目標,包括有關火星上生命潛力的關鍵問題。

火星車的天體生物學任務將搜尋古代微生物生命的跡象,描述地球的氣候和地質特徵,並為將來返回地球收集樣本。毅力號還將收集有關應對未來人類火星探險挑戰的技術知識,並證明其可行性。

作為一項技術演示,一架別具匠心的火星直升機也將貼著毅力號火星車的腹部,沿著火星飛行。

為什麽要在這個發射期?

火星離地球非常遙遠,是月球與地球距離的數百倍,目前最先進的探測器從地球飛到火星,大約需要七八個月。而又因為地球和火星都在圍繞太陽運轉,兩者的相對位置不斷變化,所以當它們距離最近時,即太陽、地球和火星同處一條直線上,此時發射探測器更加“經濟”。

地球與火星的這個會合周期是 26 個月,所以每 26 個月會出現一次“寶貴”的火星探測發射窗口期。

2020 年有短短幾周時間,太陽、地球和火星成一條直線,地球與火星之間的距離最短,不到 5400 萬公里,是火星探測器發射的最佳時機,如果錯過這種情況直到 2022 年才會再次出現。

在可能的日期範圍內選擇發射周期的一個優先事項,是在著陸過程中優先考慮通信,這種時間安排的目的是使軌道飛行器能夠接收到來自航天器的無線電信號,在其降落大氣層和著陸過程中,這樣工程師們就可以知道每個階段發生了什麽。

發射

美國聯合發射聯盟(ULA)Atlas V 541 兩級運載火箭將從佛羅裡達州卡納維拉爾角空軍站的41號發射場發射火星 2020 號飛船。運載火箭代號中的數字“541”表示一個 5 米(17 英尺)的短有效載荷整流罩、4 個固體火箭助推器和 1 個單引擎的半人馬座上層。飛船高 197 英尺(60 米)。

這將是“阿特拉斯”號火箭第 11 次發射火星,也是繼 2005 年美國宇航局火星勘測軌道器、2011 年“好奇”號火星探測器、2013 年“馬文”號軌道飛行器和 2018 年“洞察”號著陸器之後,阿特拉斯五號的第五次發射。

在發射後大約 50 至 60 分鐘(取決於實際發射時間),火星 2020 號飛船將與運載火箭分離,獨自完成剩餘的火星之旅。

運載火箭的關鍵活動,事件時間取決於啟動日期和時間

飛船將在發射後 70 到 90 分鐘之間開始與地面通信(同樣取決於發射時間)。通信時間的變化是由於每次發射時航天器在地球陰影中的時間。地球的陰影阻擋了光線到達航天器的太陽能電池板,太陽能電池板為通信無線電提供電力。任務控制員不想在飛船處於陰影中時打開收音機,因為這會在它們無法充電時耗盡電池。

行星際巡航

從地球到火星的飛行距離約為 3.09 億英裡(4.97 億公里),約需 213 天,這便是任務的巡航階段。

巡航階段從航天器與運載火箭分離時開始。在巡航期間,“毅力”號火星車及其下降平台被保護在一個被稱為“空氣外殼”的太空艙內;該外殼連接在一個圓盤狀的太陽能巡航平台上。

在巡航期間,工程師們執行一系列旨在檢查航天器子系統和儀器的活動。在這一階段,他們還進行了前三次“彈道修正機動”。火星飛船到達目的地的位置,是為飛船設計一個特定的飛行路線。

由於火箭的某些部分沒有像航天器那樣徹底清潔,火箭最初被指向一條不指向火星的軌道,以避免意外地將不需要的地球物質運送到這顆紅色星球上。

火星著陸前的最後 45 天是進近階段,主要集中在導航活動上。在這一階段計劃進行兩次彈道修正機動,以便對進入目標進行最後的調整(如果需要)。

進入、下降和著陸

進入、下降和著陸(EDL)階段開始於航天器到達火星大氣層頂部時,速度約為 12100 英裡/小時(19500 公里/小時)。大約 7 分鐘後,EDL 結束,火星車停在火星表面。

大氣進入

飛船進入大氣層前 10 分鐘,脫離巡航階段。該航天器將利用一種稱為“引導進入”的技術操縱其降落到火星大氣層中,以縮小目標橢圓形狀的火星著陸區域的大小,同時補償火星大氣密度的變化。在製導進入過程中,位於彈殼背面的小型推進器將調整升力的角度和方向,使航天器能夠控制其飛行距離。

峰值加熱發生在大氣進入後約75秒,此時隔熱罩外表面的溫度將達到約 2370 華氏度(約 1300 攝氏度)。

毅力號正朝著美國宇航局迄今為止最大的火星登陸挑戰前行。耶澤洛隕石坑是一個 28 英裡寬(45 公里寬)的撞擊盆地,有一個有趣的古老的三角洲,還有陡峭的懸崖邊、沙丘、巨礫場和較小的撞擊坑。為了確保安全著陸的最大概率,任務增加了新的 EDL 技術,即距離觸發和地形相關導航。

著陸階段

火星車應該在火星下午著陸——大約是當地平均太陽時下午 3:45(具體時間取決於實際發射日)。不久之後,火星車的計算機從進入、下降和著陸模式切換到地面模式。這啟動了在紅色行星表面的第一個火星日自主活動。

火星的一天,是 24 小時 39 分 35.244 秒。(毅力號團隊成員傾向於在火星白天工作,而不是地球日,因為火星車將在火星白天工作,而在火星之夜“睡覺”)毅力號火星車的計劃使用壽命為火星表面一年。

初檢

“毅力”號的團隊將在前 90 個 sol(火星日)上對探測器的所有部件和科學儀器進行測試。這段“檢查”期確保了包括團隊在內的一切準備就緒,可以進行地面作業。對於這 90 個 sol,操作團隊將致力於火星時間,這意味著他們將把時鐘設置為火星日(比地球日長約 40 分鐘)。這使他們能夠快速響應漫遊者在其工作日中遇到的任何問題,並確保修訂後的說明已準備好用於下一個 sol。

在火星時間上工作也意味著團隊成員每天將開始時間推遲 40 分鐘。最終,團隊成員將在半夜醒來開始輪班。

在調試的前 16 個 sol 中,毅力號將:

展開桅杆和高增益天線;

開始對著陸點進行成像;

升級月球車飛行軟體;

對所有儀器進行健康檢查;

表演“健美操”,松開手臂,測試它的動作;

進行短距離駕駛測試;

把肚盤放在漫遊車下面,這樣可以在著陸時保護直升機;

整個調試階段在著陸後大約30個sol結束,這取決於活動進行得如何。

直升機飛行試驗

在這段時間內,毅力號需要找到一塊平坦的區域,來作為“智慧”號火星直升機的停機坪。火星車將在這一區域的中心部署獨創性,並駕駛一段安全距離。作為技術演示的一部分,直升機團隊將有多達 30 架sol 在火星上進行一系列飛行試驗。

地面作戰

在這些實驗直升機飛行結束後,毅力號將開始其表面操作階段,屆時該小組將執行其雄心勃勃的科學任務:尋找古代微生物生命的跡象,描述火星的氣候和地質特徵,並收集精心挑選和記錄在案的樣本,以備將來重返地球。關於毅力的科學目標的更多信息,請參閱本新聞包的科學部分。

在為期一年的火星任務期間,火星車的活動將受到限制,例如 2021 年 9 月,太陽在火星和地球之間出現,干擾了兩個行星之間的傳輸,這將導致火星車的活動受到限制。為了在現有的時間內最大限度地進行科學研究,任務小組提前計劃了行動計劃,並在科學家研究數據時增加了應對新發現的靈活性。

四、關於毅力號火星車

“毅力號”探測車是在美國宇航局在南加州的噴氣推進實驗室建造的,裡面裝載了先進的科學儀器、用於著陸的超強計算能力和其他新研發的系統。截至目前,“毅力”號是美國宇航局建造的最大、最重的火星探測器。

“毅力號”之毅力精神

事實上,毅力號相關的概念研究和早期技術工作早在 10 年前就開始了。

登陸另一顆行星、尋找古代生命的跡象、收集樣本,每一項任務都將非常困難。這些挑戰正是美國宇航局在“為火星車命名”競賽中從 28000 個候選名字中選擇“毅力”這個名字的原因。特別是在冠狀病毒大流行期間,啟動前的幾個月需要創造性地解決團隊合作問題。

正如弗吉尼亞州伯克布拉多克湖中學(Lake Braddock Secondary School)的亞歷克斯馬瑟(Alex Mather)在獲獎文章中所寫的那樣,“我們是一種探索者,在通往火星的路上,我們將遭遇許多挫折。然而,我們可以堅持下去。我們,不是作為一個國家,而是作為人類,不會放棄。”

2. 建立在前浪們的經驗之上

美國宇航局在火星上的第一個探測車叫索傑納,只有一個微波爐大小。1997 年索傑納號火星車進行了人類歷史上第一次在火星表面和地球系統以外的巡視探測。

之後的火星探測車,勇氣號和機遇號,都是高爾夫球車的大小,在 2004 年著陸後,他們發現了火星在變成冰凍沙漠之前曾有水存在的證據。

和汽車差不多大小的好奇號探測器於 2012 年登錄火星。好奇號發現,它的著陸點蓋爾隕石坑(Gale Crater)在數十億年前曾是一個湖泊,那裡的環境可能曾支持過微生物生命。

所以,毅力號的目標就是邁出下一步,尋求回答天體生物學的一個關鍵問題:火星上是否有過去微生物生命的潛在跡象,或生命特徵?

3. 將在極有可能發現生命存在跡象的地方著陸

傑洛隕石坑是一個 28 英裡寬(45 公里寬)的隕石坑,位於 Isidis Planitia 的西部邊緣,火星赤道以北,是一個巨大的撞擊盆地。而科學家推測,在遙遠的過去,這個隕石坑可能是一個綠洲。

在 30 億到 40 億年前,那裡有一條河流流入一個像太浩湖那麽大的水體,沉積著富含碳酸鹽礦物和粘土的沉積物。“毅力號”科研小組認為,這個古老的河流三角洲可能積聚並保存了有機分子和其他潛在的微生物生命跡象。

4. 收集關於火星地質和氣候的重要數據

火星軌道飛行器一直在傑洛隕石坑上方約 200 英裡(322 公里)處收集圖像和數據,但要想在火星表面找到古代生命的跡象,還需要更近距離的觀察。

所以就需要流浪者般的毅力,前往了解火星過去的氣候條件,解讀火星岩石中埋藏的地質歷史。這一任務將使科學家對火星在遙遠的過去是什麽樣子有更豐富的了解,研究這顆紅色星球的地質和氣候,也能讓我們了解為什麽地球和火星——它們由相同的原始物質形成——最終卻會如此不同。

5. 往返火星之旅的第一步

對火星上遠古生命的驗證需要大量的證據。而“毅力號”是第一個將樣本儲存系統帶到火星的漫遊者,該系統將為未來的任務帶回有希望的樣本。

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