火星科学实验室

火星科学实验室（Mars Science Laboratory，缩写：MSL）是2011年11月26日由美国宇航局发射的无人火星探测任务，该任务于2012年8月6日在盖尔撞击坑成功降落了“好奇号”火星车。总体目标包括调查火星宜居性、研究其气候和地质，以及为载人火星任务收集相关数据。该火星车搭载了由国际团队设计的各种科学探测仪器。
概述.
火星科学实验室成功实现了迄今为止所知航天器中最精准的一次火星着陆，它降落在盖尔撞击坑埃俄利斯沼内一处范围仅7×20公里（4.3×12.4英里）的椭圆形小目标区内，位于距目标中心以东2.4公里（1.5英里）、以北400米（1300英尺）处，该位置靠近山埃俄利斯山（又称“夏普山”）。火星车任务将在5×20公里（3.1×12.4英里）的范围内探索至少687个地球日（1个火星年）。
火星科学实验室任务是美国宇航局火星探索计划的一部分，为加利福尼亚理工学院喷气推进实验室管理的一项长期性无人火星探测项目，火星科学实验室项目的总成本约为25亿美元。
之前已成功登陆的美国火星探测车包括火星探路者号任务中的“旅居者号”和火星探测漫游者“勇气号”和“机遇号”，而“好奇号”较之“勇气号”和“机遇号”重五倍，长两倍，所携带的科学仪器质量则超过了十倍。
目标与任务.
火星科学实验室有四大探索目标：确定着陆点的宜居性及水的作用、研究火星气候和地质，为未来载人火星任务作准备。
为实现这些目标，火星科学实验室确立了八项主要科学任务：
经一年的表面探测，在评估了古代火星可能适宜微生物生存后，火星科学实验室任务目标已转为开发有机化合物和生物分子保存处理的预测模型，一门称作埋藏学的古生物学分支。
设备.
航天器.
航天器的飞行系统发射质量为3893千克(8583磅)，包括带动力的地球-火星间巡航段(539 千克(1188磅))、进入-下降-着陆(EDL)系统（2401千克(5293磅)，含390千克(860磅)着陆推进剂）和一辆安装有集成仪器组件的899千克(1982磅)移动漫游车。
在前往火星的太空飞行过程中，除漫游车上的辐射评估探测器（RAD）外，航天器还使用了其它航天专用仪器。
火星车.
“好奇号”漫游车的质量为899千克(1982磅)，由多任务放射性同位素热电发电机（MMRTG）供电的六轮摇杆转向架系统每小时可行驶90米(300英尺)，并使用X波段和特高频波段进行通信。
探测仪器.
常规分析策略是从高分辨率相机发现的感兴趣特征开始，如对某一特定表面感兴趣，“好奇号”则可用红外激光蒸发其中的一小部分，并检查所产生的光谱特征以查询岩石的元素成分。如果这一特征引起了人们的关注，漫游车将交替使用机械手臂上的显微镜和X射线光谱仪进行仔细的观察。如需对样本作进一步分析，“好奇号”则可钻入岩石并将粉末样本送入探测车内的样本或化学与矿物分析实验室。
历史.
火星科学实验室在2003年被美国国家研究委员会十年调查委员会推荐为最优先级的中型火星任务。2004年4月，美国宇航局发布火星车科学仪器提案公告，并在同年12月14日选定了八项建议。部件的测试和设计也于2004年底开始，包括洛克达因航太公司设计的可在燃料泵入压力固定情况下，将推力从15%调节至100%的单推进剂引擎。
成本超支、延期和发射.
到2008年11月，大部分软硬件已开发完成，但测试仍在继续。此时，成本超支约4亿美元。为赶上发射日期，取消了一些仪器和样本保存，简化了其他仪器和相机，以加快探测车的测试和集成。次月，由于测试时间不足，美国宇航局将发射时间推迟至2011年底。最终，火星车开发成本达到24.7亿美元，这还只是最初被列为中等成本任务、最高预算为6.5亿美元的火星车所花费的开支，此外，宇航局还需要另外的8200万美元来满足11月计划的发射。截至2012年，该项目已超支了84%
火星科学实验室于2011年11月26日从卡纳维拉尔角搭乘宇宙神五号火箭发射升空。2012年1月11日，该航天器在三个小时内通过一系列助推器引擎的点火，成功改善了轨道，将火星车着陆时间提前了约14个小时。火星科学实验室发射时，该项目的负责人是美国宇航局行星科学部门的道格·麦克奎斯逊。
2012年8月6日协调世界时5时17分57秒，“好奇号”成功降落在盖尔撞击坑中，并传送了避险相机确认方向的图像。由于着陆时火星与地球间的距离以及无线电信号的延时，着陆后14分钟内地球没收到信号。“火星勘测轨道飞行器”发回了一张高分辨率成像科学设备相机拍摄的“好奇号”在降落伞下下降的照片。
着陆数小时后，“好奇号”团队六名资深成员召开了新闻发布会，他们是：
命名.
2009年3月23日至29日期间，公众通过美国宇航局网站上的一项民意调查，对九条入围火星车征名的名字（探险、阿米莉亚、征程、洞察、追求、黎明、视野、奇迹和好奇）进行了投票。2009年5月27日，宣布获胜名称为“好奇号”。该名字是由堪萨斯州六年级华裔女学生马天琪(Clara Ma)在一次作文比赛中提交的。
着陆地选择.
在评估过60多处着陆后点，2011年7月，最终选择了盖尔撞击坑。选择该地的主要目的是确定一处特定的地质环境，或一类支持微生物生命的环境。规划人员希望寻找一处有助于实现多种科学目标的地点，他们更倾向选择在形态和矿物上能证明曾有过水的着陆点。此外，
首选光谱显示存在多种水合矿物，粘土矿物和硫酸盐构成丰富的场所。赤铁矿、其他氧化铁、硫酸盐矿物、硅酸盐矿物、二氧化硅以及可能的氯化物矿物等被认为是化石保存的可能基质，事实上，所有这些在地球上都有助于保存化石形态和分子。复杂的地形有利于找到宜居条件的证据，但漫游车必须能安全到达现场并在其中行驶。
工程限制着陆点与火星赤道间夹角必须小于45度，且不高于参考基准面1公里。在首次火星科学实验室着陆点研讨会上，确定了33处候选着陆点。到2007年底第二次研讨会结束时，名单已减至6处；2008年11月，在第三次研讨会上，项目负责人将该名单缩小到以下四个着陆点：
2010年9月下旬举行了第四次着陆点研讨会；第五次也是最后一次研讨会于2011年5月16日至18日召开。2011年7月22日，宣布盖尔撞击坑被选为火星科学实验室任务的着陆场。
发射.
运载火箭.
擎天神五号运载火箭可将高达8290千克（18280磅）的载荷发射到地球同步转移轨道，它曾发射过火星勘测轨道飞行器和新视野号探测器。
2011年10月9日，一、二级运载火箭与固体助推器一起被竖立在发射台旁，2011年11月3日，装载了火星科学实验室的整流罩被运至发射台。
发射过程.
2011年11月26日协调世界时15时02分，火星科学实验室搭乘联合发射联盟提供的宇宙神5号541型运载火箭，从卡纳维拉尔角空军基地41号航天发射台发射升空。该型两级火箭的第一级为捆绑了四台固体火箭助推器（SRB）、由RD-180火箭发动机驱动的3.8米（12英尺）长公共核心助推器（CCB）；第二级为带有直径5米载荷整流罩的半人马座火箭。 美国宇航局的发射服务计划依据美国宇航局发射服务 (NLS)I合同协调执行。
巡航.
火星转移轨道.
2011年11月26日，火星科学实验室航天器发射不久，阿特拉斯五号运载火箭的半人马座上面级就将它推离地球轨道，插入日心火星转移轨道。在与半人马座火箭分离前，为确保姿态控制，航天器在36210公里/小时（225500英里/小时）前往火星的巡航期间，以每分钟2圈的转速保持自旋稳定。
在巡航过程中，部署在两组中的八具推进器被用作致动器来控制自旋速率，并执行轴向或横向轨迹修正机动。通过环绕中心轴旋转，使它保持了稳定的姿态。一路上，巡航段进行了四次轨迹修正操作，以调整航天器朝向着陆点的路径。两部X波段天线将相关信息发回给任务控制员。巡航段的一项关键任务是控制所有航天器系统的温度，并将太阳能电池和电机等电源产生的余热散发到太空中。在一些系统中，多层隔热毯确保一些敏感科学仪器的温度高于太空近绝对零度以上。恒温器监控温度并根据需要打开或关闭加热和冷却系统。
巡航.
巡航段载着火星科学实验室航天器穿越浩瀚的太空将它运送至火星，这次星际飞越在253天内完成了3.52亿英里的路程。巡航级有自己的微型推进系统：八具使用两只钛制油箱中联氨燃料的推进器；它也有自己的电力系统，由太阳能电板和电池组成，以提供持续的电力。到达火星后，航天器停止自旋，一台电缆切割剪将巡航级与气动外壳分离，随后巡航级转移到单独的轨道进入火星大气层。2012年12月，“火星勘测轨道飞行器”发现了巡航段的碎片场。由于硬件的原始尺寸、速度、密度和撞击角已知，它将可提供火星表面撞击过程和大气层特性的信息。
进入、下降和着陆.
航天器进入、下降和着陆系统.
由于火星大气层太稀薄，仅靠降落伞和大气制动无法实现有效着陆，因此在火星上着陆大质量物体特别具有挑战性。虽然之前的一些任务使用安全气囊来缓解着陆时的冲击，但“好奇号”火星车太重，无法采用这种方法。取而代之的是，“好奇号”使用了一种新的高精度进入、下降和着陆系统（EDL）来降落到火星表面。该系统是火星科学实验室航天器下降段的一部分，包括降落伞、空中吊车、燃料和气动外壳，总质量2401千克（5293磅）。与火星探测漫游者着陆系统使用的150×20公里（93×12英里）椭圆着陆区相比，新系统可将“好奇号”降落在一处20×7公里（12.4×4.3英里）范围的椭圆着陆区内。
进入-下降-着陆（EDL）系统不同于其他任务使用的系统，它不需要交互式地由地面生成任务计划。在整个着陆阶段，着陆器将根据预加载的软件和参数自动运行。进入-下降-着陆系统基于海盗号衍生的减速结构和推进系统，用以精确引导进入和软着陆，与20世纪90年代中期火星探路者号和火星探测漫游者任务使用安全气囊着陆形成对比。航天器按精确顺序使用数个系统，将进入、下降和着陆顺序划分为四个部分—以下描述了2012年8月6日展开的航天事件。
2012年8月6日，进入-下降-着陆过程.
尽管着陆时间很晚，尤其是美国东海岸，当时为凌晨1时31分，但着陆引起了公众极大的兴趣。有320万人观看了着陆现场直播，大多数人通过网络观看，而不是通过美国宇航局电视频道或有线新闻网络直播。经过56327.04万公里（3.5亿英里）的旅程后，火星车的最终着陆点距目标不到2.4公里（1.5英里）。除了流媒体和传统的视频观看之外，喷气推进实验室还制作了太阳系之眼，这是一种基于真实数据的进入、下降和着陆三维实时模拟。根据喷气推进实验室预测，好奇号在软件中显示的着陆时间与现实相差不到1秒。
火星科学实验室到火星的进入-下降-着陆阶段只花了七分钟，并按照喷气实验室工程师预先编程的顺序自动展开，进入、下降和着陆顺序发生在四个不同事件阶段：
进入引导.
精确引导进入利用机载计算机能力引导自身朝向预定着陆点，将着陆精度从数百公里提高到20公里（12英里）。这种能力有助于消除可能出现在较大着陆椭圆区中的一些不确定着陆危险。转向是通过综合使用推进器和可弹出平衡块来实现的，可弹出平衡块移动降落舱的质心，从而在大气层阶段产生升力矢量。导航计算机收集测量到的数据，估算生成自动扭转太空舱位置和姿态的指令，这是首个使用精确着陆技术的行星任务。
火星车被收起放置在穿越太空和进入火星大气层期间保护它的气动外壳内。在进入大气层前10分钟，气动外壳与飞行途中提供动力、通信和推进的巡航段分离。分离一分钟后，为抵消航天器每分钟2圈的自转，气动外壳上的引擎点火，并使隔热罩朝向火星，为进入大气层做准备。隔热罩由酚碳热烧蚀板(PICA)制成，直径4.5米（15英尺）的隔热罩是有史以来太空飞行中最大的，它通过与火星大气层的摩擦烧蚀，降低航天器速度，使大气界面速度从约5.8公里/秒（3.6米/秒）降低到约470米/秒（1500英尺/秒），大约4分钟后，就可展开降落伞。进入大气层1分15秒，随着大气压力将动能转化为热量，隔热罩经历了高达2090摄氏度（3790华氏度）的峰值温度。热峰值10秒后，减速峰值达到15个g。
降低着陆精度误差的大部分方式是通过再入引导算法实现的，该算法源自阿波罗计划中用于引导阿波罗指令舱返回地球的算法。该制导利用气动外壳承受的升力来“飞出”任何探测到的范围误差，从而到达目标着陆点。为了使气动外壳具有升力，其质心需偏离中轴线，从而在大气层飞行中产生偏心配平角。这是通过在进入大气层前几分钟弹出两个75千克（165磅）钨配重压载物实现的。升力矢量由两组四台反推力系统（RCS）引擎控制，每对引擎约产生500牛（100磅力）的推力。这种改变升力方向的能力使航天器能够对周围环境做出反应，并转向着陆区。在降落伞展开之前，进入飞行器弹出更多的压载物，包括六块25千克（55磅）的钨块，从而消除了重心偏移。
伞降.
就像之前的海盗号、火星探路者号和火星探测漫游者等着陆器一样，当进入阶段完成，降落舱在大约10公里（6.2英里）的高度减速至约470米/秒（1500英尺/秒）时，超音速降落伞释放。降落伞有80根吊绳，长度超过50米（160英尺），直径约16米（52英尺），这种降落伞能在2.2马赫的速度下展开，在火星大气层中可产生高达289千牛（65000磅力）的阻力。降落伞打开后，隔热罩分离并脱落。在探测车传感器确认成功着陆之前的约2分钟内，探测车下方的一台相机以每秒5帧（分辨率为1600×1200像素）的速度拍摄3.7公里（2.3英里）以下的地面地貌。“火星勘测轨道飞行器”小组获得了火星科学实验室在降落伞下下降的图像。
动力下降.
降落伞减速后，在大约1.8公里（1.1英里）的高度，仍以大约100米/秒（220英里/小时）的速度下落，火星车和下降段从气动外壳中掉出。下降段是火星车上方的一座平台，带有八台可变推力的单组元联氨火箭推进器，安装在围绕该平台的延伸臂上，以减缓下降速度。每台被称作火星着陆引擎（MLE）的火箭推进器可产生400至3100牛顿（90至697磅力）的推力，是从海盗号着陆器上使用的推进器派生而来。一架雷达高度计测量高度和速度，并将数据输入到火星车飞行计算机。同时，火星车从其搭载飞行配置转变为着陆配置，同时被“天车”系统吊放到下降段下方。
空中吊车.
出于多种原因，火星科学实验室选择了一种不同的着陆系统，与之前的火星着陆器和漫游车相比，“好奇号”被认为太重，无法使用火星探路者号和火星探测漫游者上采用的安全气囊着陆系统，且支架式着陆器的方法可能会导致数种设计问题。着陆时，需要有安装得足够高的发动机，以避免形成可能损坏火星车仪器的尘埃云。这将需要较长的着陆支腿，而这些支腿又需要相当大的宽度来保持较低的重心。支架式着陆器还需要配置坡道导轨，以便漫游车能够行驶到地面，这会给任务带来额外的风险，因为偶然的岩石或倾斜会阻止“好奇号”顺利驶离着陆器。面对这些挑战，火星科学实验室的工程师们提出了一种新颖的替代解决方案：天车。空中吊车系统使用7.6米（25英尺）的系绳降下火星车，软着陆-将车轮放落在火星表面。该系统包括三根吊放火星车的尼龙系绳和一根在下降阶段和漫游车之间传输信息和电力的电缆。随着支撑电力和数据电缆的松开，火星车的六只电动车轮卡入到位。在离下降段下方约7.5米（25英尺）高度处，天车悬停，火星车着陆。着陆后，火星车等待两秒钟，在通过检测车轮上的重量确认落在坚实地面上后，触发数枚爆炸螺栓（小型爆炸装置）激活系绳和电缆上的切割剪，与下降段分离。下降段随后飞向650米（2100英尺）外坠毁。这种空中吊车的概念以前从未在任务中使用过。
着陆地.
火星科学实验室的目标着陆点位于盖尔撞击坑 内一处20×7公里（12.4×4.3英里）的椭圆形区，该陨坑直径154公里（96英里），坑内坐落了一座高出坑底5.5公里（18000英尺），名为埃俄利斯山（夏普山）的层岩山丘 ，“好奇号”就降落在该山丘前埃俄利斯沼内平坦的“黄刀湾”51区，并将对埃俄利斯山展开调查。
2012年8月6日协调世界时5时31分，在飞越了5.63亿公里(3.5亿英里）的旅程后，火星车成功降落在距计划着陆椭圆区中心不到2.4公里（1.5英里）的地方。2012年8月22日，登陆后的第16个火星日，美国宇航局将该着陆点命名为布雷德伯里着陆场 。据美国宇航局称，发射时，“好奇号”上大约带有2万至4万株耐热细菌孢子，但实际数量可能是该数字的1000倍。