火星科學實驗室

火星科學實驗室是2011年11月26日由美國宇航局發射的無人火星探測任務，該任務於2012年8月6日在蓋爾撞擊坑成功降落了“好奇號”火星車。總體目標包括調查火星宜居性、研究其氣候和地質，以及為載人火星任務收集相關資料。該火星車搭載了由國際團隊設計的各種科學探測儀器。概述.火星科學實驗室成功實現了迄今為止所知航天器中最精準的一次火星著陸，它降落在蓋爾撞擊坑埃俄利斯沼內一處範圍僅7×20公里。火星科學實驗室任務是美國宇航局火星探索計劃的一部分，為加利福尼亞理工學院噴氣推進實驗室管理的一項長期性無人火星探測專案，火星科學實驗室專案的總成本約為25億美元。之前已成功登陸的美國火星探測車包括火星探路者號任務中的“旅居者號”和火星探測漫遊者“勇氣號”和“機遇號”，而“好奇號”較之“勇氣號”和“機遇號”重五倍，長兩倍，所攜帶的科學儀器質量則超過了十倍。目標與任務.火星科學實驗室有四大探索目標：確定著陸點的宜居性及水的作用、研究火星氣候和地質，為未來載人火星任務作準備。為實現這些目標，火星科學實驗室確立了八項主要科學任務：經一年的表面探測，在評估了古代火星可能適宜微生物生存後，火星科學實驗室任務目標已轉為開發有機化合物和生物分子儲存處理的預測模型，一門稱作埋藏學的古生物學分支。裝置.航天器.航天器的飛行系統發射質量為3893千克(8583磅)，包括帶動力的地球-火星間巡航段(539 千克(1188磅))、進入-下降-著陸(EDL)系統和一輛安裝有整合儀器元件的899千克(1982磅)移動漫遊車。在前往火星的太空飛行過程中，除漫遊車上的輻射評估探測器外，航天器還使用了其它航天專用儀器。火星車.“好奇號”漫遊車的質量為899千克(1982磅)，由多工放射性同位素熱電發電機供電的六輪搖桿轉向架系統每小時可行駛90米(300英尺)，並使用X波段和特高頻波段進行通訊。車載計算機使用執行頻率為200兆赫茲的"RAD750"型晶片(火星探測漫遊者所用“RAD6000”晶片的後續型)，RAD750 晶片處理速度高達400百萬指令/秒(MIPS)，而 RAD6000 型晶片最多隻支援每秒3500萬條指令。在兩臺車載計算機中，一臺設定為備份，在主計算機出現問題時接管。漫遊車安裝有慣性測量單元(IMU)，可提供用於導航的三軸位置資訊。漫遊車上的計算機不斷進行自我監控，如調節漫遊車溫度等，以保持自身的正常執行，而拍照、駕駛和操作儀器等活動則是按照飛行團隊傳送來的指令執行。漫遊車計算機執行的VxWorks，為風河系統公司程式設計的實時作業系統。在火星之旅期間，VxWorks 運行了專門用於任務導航和制導階段的應用程式，且還有一套預程式設計軟體用於處理複雜的進入-下降-著陸操作。著陸後，這些應用程式都將被執行地面駕駛和探測活動的軟體替換。通常，在15分鐘的通訊視窗期內，從地球以1-2千位元組/秒的資料速率直接向火星車傳送225千位元組/天的指令，而火星車收集的大量資料則透過衛星中繼傳回:46。與地球的單向通訊延遲時間從4分鐘到22分鐘不等，具體取決於兩顆行星間的相對位置，平均約為12.5分鐘 。著陸時，“2001火星奧德賽”軌道器、“火星勘測軌道飛行器”和歐空局“火星快車號”進行了監測。奧德賽號能將超高頻遙測資料實時傳回地球，傳遞時間因兩行星間的距離而異，著陸時為13分46秒。探測儀器.常規分析策略是從高解析度相機發現的感興趣特徵開始，如對某一特定表面感興趣，“好奇號”則可用紅外鐳射蒸發其中的一小部分，並檢查所產生的光譜特徵以查詢岩石的元素成分。如果這一特徵引起了人們的關注，漫遊車將交替使用機械手臂上的顯微鏡和X射線光譜儀進行仔細的觀察。如需對樣本作進一步分析，“好奇號”則可鑽入岩石並將粉末樣本送入探測車內的樣本或化學與礦物分析實驗室。歷史.火星科學實驗室在2003年被美國國家研究委員會十年調查委員會推薦為最優先順序的中型火星任務。2004年4月，美國宇航局釋出火星車科學儀器提案公告，並在同年12月14日選定了八項建議。部件的測試和設計也於2004年底開始，包括洛克達因航太公司設計的可在燃料泵入壓力固定情況下，將推力從15%調節至100%的單推進劑引擎。成本超支、延期和發射.到2008年11月，大部分軟硬體已開發完成，但測試仍在繼續。此時，成本超支約4億美元。為趕上發射日期，取消了一些儀器和樣本儲存，簡化了其他儀器和相機，以加快探測車的測試和整合。次月，由於測試時間不足，美國宇航局將發射時間推遲至2011年底。最終，火星車開發成本達到24.7億美元，這還只是最初被列為中等成本任務、最高預算為6.5億美元的火星車所花費的開支，此外，宇航局還需要另外的8200萬美元來滿足11月計劃的發射。截至2012年，該專案已超支了84%火星科學實驗室於2011年11月26日從卡納維拉爾角搭乘宇宙神五號火箭發射升空。2012年1月11日，該航天器在三個小時內透過一系列助推器引擎的點火，成功改善了軌道，將火星車著陸時間提前了約14個小時。火星科學實驗室發射時，該專案的負責人是美國宇航局行星科學部門的道格·麥克奎斯遜。2012年8月6日協調世界時5時17分57秒，“好奇號”成功降落在蓋爾撞擊坑中，並傳送了避險相機確認方向的影象。由於著陸時火星與地球間的距離以及無線電訊號的延時，著陸後14分鐘內地球沒收到訊號。“火星勘測軌道飛行器”發回了一張高解析度成像科學裝置相機拍攝的“好奇號”在降落傘下下降的照片。著陸數小時後，“好奇號”團隊六名資深成員召開了新聞釋出會，他們是：命名.2009年3月23日至29日期間，公眾透過美國宇航局網站上的一項民意調查，對九條入圍火星車徵名的名字進行了投票。2009年5月27日，宣佈獲勝名稱為“好奇號”。該名字是由堪薩斯州六年級華裔女學生馬天琪(Clara Ma)在一次作文比賽中提交的。好奇心是永恆的火焰，它在每個人心中燃燒，讓我早上起床，就想知道這天的生活會帶來怎樣的驚喜；好奇心是一股強大的力量，沒有它，我們就不會成為今天的我們；好奇心是我們日常生活中的激情之源，正因為我們充滿想象力和好奇心，我們才能成為探險家和科學家。著陸地選擇.在評估過60多處著陸後點，2011年7月，最終選擇了蓋爾撞擊坑。選擇該地的主要目的是確定一處特定的地質環境，或一類支援微生物生命的環境。規劃人員希望尋找一處有助於實現多種科學目標的地點，他們更傾向選擇在形態和礦物上能證明曾有過水的著陸點。此外，首選光譜顯示存在多種水合礦物，粘土礦物和硫酸鹽構成豐富的場所。赤鐵礦、其他氧化鐵、硫酸鹽礦物、矽酸鹽礦物、二氧化矽以及可能的氯化物礦物等被認為是化石儲存的可能基質，事實上，所有這些在地球上都有助於儲存化石形態和分子。複雜的地形有利於找到宜居條件的證據，但漫遊車必須能安全到達現場並在其中行駛。工程限制著陸點與火星赤道間夾角必須小於45度，且不高於參考基準面1公里。在首次火星科學實驗室著陸點研討會上，確定了33處候選著陸點。到2007年底第二次研討會結束時，名單已減至6處；2008年11月，在第三次研討會上，專案負責人將該名單縮小到以下四個著陸點：2010年9月下旬舉行了第四次著陸點研討會；第五次也是最後一次研討會於2011年5月16日至18日召開。2011年7月22日，宣佈蓋爾撞擊坑被選為火星科學實驗室任務的著陸場。發射.運載火箭.擎天神五號運載火箭可將高達8290千克的載荷發射到地球同步轉移軌道，它曾發射過火星勘測軌道飛行器和新視野號探測器。2011年10月9日，一、二級運載火箭與固體助推器一起被豎立在發射臺旁，2011年11月3日，裝載了火星科學實驗室的整流罩被運至發射臺。發射過程.2011年11月26日協調世界時15時02分，火星科學實驗室搭乘聯合發射聯盟提供的宇宙神5號541型運載火箭，從卡納維拉爾角空軍基地41號航天發射臺發射升空。該型兩級火箭的第一級為捆綁了四臺固體火箭助推器；第二級為帶有直徑5米載荷整流罩的半人馬座火箭。 美國宇航局的發射服務計劃依據美國宇航局發射服務 (NLS)I合同協調執行。巡航.火星轉移軌道.2011年11月26日，火星科學實驗室航天器發射不久，阿特拉斯五號運載火箭的半人馬座上面級就將它推離地球軌道，插入日心火星轉移軌道。在與半人馬座火箭分離前，為確保姿態控制，航天器在36210公里/小時前往火星的巡航期間，以每分鐘2圈的轉速保持自旋穩定。在巡航過程中，部署在兩組中的八具推進器被用作致動器來控制自旋速率，並執行軸向或橫向軌跡修正機動。透過環繞中心軸旋轉，使它保持了穩定的姿態。一路上，巡航段進行了四次軌跡修正操作，以調整航天器朝向著陸點的路徑。兩部X波段天線將相關資訊發回給任務控制員。巡航段的一項關鍵任務是控制所有航天器系統的溫度，並將太陽能電池和電機等電源產生的餘熱散發到太空中。在一些系統中，多層隔熱毯確保一些敏感科學儀器的溫度高於太空近絕對零度以上。恆溫器監控溫度並根據需要開啟或關閉加熱和冷卻系統。巡航.巡航段載著火星科學實驗室航天器穿越浩瀚的太空將它運送至火星，這次星際飛越在253天內完成了3.52億英里的路程。巡航級有自己的微型推進系統：八具使用兩隻鈦制油箱中聯氨燃料的推進器；它也有自己的電力系統，由太陽能電板和電池組成，以提供持續的電力。到達火星後，航天器停止自旋，一臺電纜切割剪將巡航級與氣動外殼分離，隨後巡航級轉移到單獨的軌道進入火星大氣層。2012年12月，“火星勘測軌道飛行器”發現了巡航段的碎片場。由於硬體的原始尺寸、速度、密度和撞擊角已知，它將可提供火星表面撞擊過程和大氣層特性的資訊。進入、下降和著陸.航天器進入、下降和著陸系統.由於火星大氣層太稀薄，僅靠降落傘和大氣制動無法實現有效著陸，因此在火星上著陸大質量物體特別具有挑戰性。雖然之前的一些任務使用安全氣囊來緩解著陸時的衝擊，但“好奇號”火星車太重，無法採用這種方法。取而代之的是，“好奇號”使用了一種新的高精度進入、下降和著陸系統範圍的橢圓著陸區內。進入-下降-著陸系統不同於其他任務使用的系統，它不需要互動式地由地面生成任務計劃。在整個著陸階段，著陸器將根據預載入的軟體和引數自動執行。進入-下降-著陸系統基於海盜號衍生的減速結構和推進系統，用以精確引導進入和軟著陸，與20世紀90年代中期火星探路者號和火星探測漫遊者任務使用安全氣囊著陸形成對比。航天器按精確順序使用數個系統，將進入、下降和著陸順序劃分為四個部分—以下描述了2012年8月6日展開的航天事件。2012年8月6日，進入-下降-著陸過程.儘管著陸時間很晚，尤其是美國東海岸，當時為凌晨1時31分，但著陸引起了公眾極大的興趣。有320萬人觀看了著陸現場直播，大多數人透過網路觀看，而不是透過美國宇航局電影片道或有線新聞網路直播。經過56327.04萬公里。除了流媒體和傳統的影片觀看之外，噴氣推進實驗室還製作了太陽系之眼，這是一種基於真實資料的進入、下降和著陸三維實時模擬。根據噴氣推進實驗室預測，好奇號在軟體中顯示的著陸時間與現實相差不到1秒。火星科學實驗室到火星的進入-下降-著陸階段只花了七分鐘，並按照噴氣實驗室工程師預先程式設計的順序自動展開，進入、下降和著陸順序發生在四個不同事件階段：進入引導.精確引導進入利用機載計算機能力引導自身朝向預定著陸點，將著陸精度從數百公里提高到20公里。這種能力有助於消除可能出現在較大著陸橢圓區中的一些不確定著陸危險。轉向是透過綜合使用推進器和可彈出平衡塊來實現的，可彈出平衡塊移動降落艙的質心，從而在大氣層階段產生升力向量。導航計算機收集測量到的資料，估算生成自動扭轉太空艙位置和姿態的指令，這是首個使用精確著陸技術的行星任務。火星車被收起放置在穿越太空和進入火星大氣層期間保護它的氣動外殼內。在進入大氣層前10分鐘，氣動外殼與飛行途中提供動力、通訊和推進的巡航段分離。分離一分鐘後，為抵消航天器每分鐘2圈的自轉，氣動外殼上的引擎點火，並使隔熱罩朝向火星，為進入大氣層做準備。隔熱罩由酚碳熱燒蝕板(PICA)製成，直徑4.5米的峰值溫度。熱峰值10秒後，減速峰值達到15個g。降低著陸精度誤差的大部分方式是透過再入引導演算法實現的，該演算法源自阿波羅計劃中用於引導阿波羅指令艙返回地球的演算法。該制導利用氣動外殼承受的升力來“飛出”任何探測到的範圍誤差，從而到達目標著陸點。為了使氣動外殼具有升力，其質心需偏離中軸線，從而在大氣層飛行中產生偏心配平角。這是透過在進入大氣層前幾分鐘彈出兩個75千克的鎢塊，從而消除了重心偏移。傘降.就像之前的海盜號、火星探路者號和火星探測漫遊者等著陸器一樣，當進入階段完成，降落艙在大約10公里以下的地面地貌。“火星勘測軌道飛行器”小組獲得了火星科學實驗室在降落傘下下降的影象。動力下降.降落傘減速後，在大約1.8公里的推力，是從海盜號著陸器上使用的推進器派生而來。一架雷達高度計測量高度和速度，並將資料輸入到火星車飛行計算機。同時，火星車從其搭載飛行配置轉變為著陸配置，同時被“天車”系統吊放到下降段下方。空中吊車.出於多種原因，火星科學實驗室選擇了一種不同的著陸系統，與之前的火星著陸器和漫遊車相比，“好奇號”被認為太重，無法使用火星探路者號和火星探測漫遊者上採用的安全氣囊著陸系統，且支架式著陸器的方法可能會導致數種設計問題。著陸時，需要有安裝得足夠高的發動機，以避免形成可能損壞火星車儀器的塵埃雲。這將需要較長的著陸支腿，而這些支腿又需要相當大的寬度來保持較低的重心。支架式著陸器還需要配置坡道導軌，以便漫遊車能夠行駛到地面，這會給任務帶來額外的風險，因為偶然的岩石或傾斜會阻止“好奇號”順利駛離著陸器。面對這些挑戰，火星科學實驗室的工程師們提出了一種新穎的替代解決方案：天車。空中吊車系統使用7.6米外墜毀。這種空中吊車的概念以前從未在任務中使用過。著陸地.火星科學實驗室的目標著陸點位於蓋爾撞擊坑 內一處20×7公里的層巖山丘 ，“好奇號”就降落在該山丘前埃俄利斯沼內平坦的“黃刀灣”51區，並將對埃俄利斯山展開調查。2012年8月6日協調世界時5時31分，在飛越了5.63億公里(3.5億英里）的旅程後，火星車成功降落在距計劃著陸橢圓區中心不到2.4公里的地方。2012年8月22日，登陸後的第16個火星日，美國宇航局將該著陸點命名為佈雷德伯裡著陸場 。據美國宇航局稱，發射時，“好奇號”上大約帶有2萬至4萬株耐熱細菌孢子，但實際數量可能是該數字的1000倍。相關連結.