[科普中国]-火星探路者探测器

简介

“火星探路者” 探测器已于1996年12月4日用包括有效载荷支持舱PAM-D顶级的德尔他Ⅱ-7925运载火箭在卡纳维拉尔角空军基地发射升空。它的最大开发周期为3年，耗资1.5亿美元，由加州的美国航宇局喷气推进实验室( JPL) 管理。

其任务主要是对可能用作未来科学登陆器任务的一项关键技术和概念的工程演示。“火星探路者” 探测器也向火星表面设置科学仪器以研究火星大气、地表气象、地质结构和火星石块土壤的元素成分，此外，还要放置一个地表自由漫游的火星车，以便进行技术试验和作为一个仪表释放机构。

发射后，1997年7月4日，火星探路者探测器在经过4. 94亿公里、7个月的漫长旅行后，终于到达了火星，并成功地在火星表面上的阿瑞斯谷登陆。这是21年来人类首次把探测器送到火星表面。在这个期间，计划有4 次轨道修正机动(TCM) 以微调发射路径，利用NASA/JPL深空网(DSN) 的大反射面天线进行探测器的跟踪、遥测和指令操作。在1997年7月4日到达火星时，其登陆器进入火星大气层，然后展开降落伞、火箭制动系统和气囊以垂直软着陆。此后，展开微型火星车，它至少工作7个火星日(一个火星日为24小时37分) ，如果登陆器和火星车工作良好，则登陆器能连续工作达一个火星年，火星车工作达30个火星日。1

着陆的成功以及探测器上携带的一辆漫游车的成功使用，对利用小型探测器进行行星探索的设想以及对美国航宇局今后的火星探测计划都是一种极大的鼓舞。

这次着陆既标志着火星长期以来无科学探测局面的结束，也将是美国航宇局今后10年一连串火星轨道和着陆探测任务的开始。在今后10年里，该局将再发射9颗火星探测器，并将最终于2008年把多达1公斤的火星岩石样本送回地球，从而将极大地丰富人类对该行星的了解。

一般来讲，空间操作似乎基本都是按某一例行程序一步一步地进行的，而探路者的进入、下降和着陆过程却不然。它采用了一些以前从未用到过的技术，包括直接进入火星大气着陆(而不是先进入一条环火星轨道) ，复杂的下降飞行过程，被动式的气囊着陆装置和装在四面体形星体一个侧瓣上的一辆微型漫游车。

从管理上说，仅用38个月的时间、利用有限的经费研制出来的探路者也有其独到之处，做到了又快又省。该项目采用了积极的并行工程与试验安排，满足了很紧张的研制时间要求。它基本上可以算是喷气推进实验室完全按“更小、更快、更省” 的方针研制出的第一颗探测器，总费用2. 65亿美元，包括着陆器与漫游车的研制费、使用德尔他火箭发射的费用、任务操作费用和少量的跟踪与数据支持费用。2

火星探测器进入阶段的稳定性由于火星上存在大气层，因此要实现火星探测器在火星表面的软着陆，就可以充分利用其大气对探测器实现气动减速，使其在火星表面安全着陆，这也是俄、美实现火星着陆均采用的方法之一。其工作原理与航天器绕地球轨道返回和着陆的过程相似。

探测器从进入火星大气层开始，到在其表面安全着陆，一般可分为3 个阶段：首先从进入火星大气层，到下降到5~10km 高度左右，依靠探测器自身进行气动减速；第二阶段主要是降落伞进一步减速；最后是利用着陆缓冲手段实现着陆器的安全着陆。然而，由于与地球上的大气相比，火星大气密度非常稀薄。在离火星表面10km 高度处其大气密度约为0.0065kg/， 而在离地球表面10km 高度处的大气密度约为0.413kg/，即火星上的大气密度要比地球上的小两个数量级。因此，火星探测器在如此稀薄的大气层里运动，为了充分发挥探测器自身气动阻力的减速作用，为降落伞创造一个合适的开伞条件，一般要采用大钝头球锥形的外形设计，来提高阻力面积，如美国的火星探测器的半锥角均是70°。这种大钝头球锥形的外形结构又给探测器在进入火星大气过程中的运动稳定性带来了不利的影响，这是火星探测器气动外形设计和进入轨道特性分析时必须要注意的地方。

进入过程中的运动稳定性是评估探测器气动外形设计能否满足任务要求的重要参考因素之一，同时也是进入器进行防热结构设计、降落伞减速系统设计、结构和设备布局设计时必须要考虑的一个因素。3

火星探路者着陆器“火星探路者”在火星上着陆后将放一个机器人（漫游越野车）以收集火星表面样品，为人类登上火星寻找理想的着陆地点，考察火星表面一条干涸的河沟。“火星探路者”探测器将用德尔他-2火箭发射，它由轨道器和着陆器组成，重800千克，其中着陆器重264千克。当“火星探路者”进入火星轨道后，便绕火星运行。在运行到火星北纬19.5°、西经32.8°上空时，轨道器与着陆器分离，轨道器继续绕火星飞行进行考察，而着陆器则以15-20°角度和6.3千米125千米高的稀薄大气层后，速度降为250米/秒，这是火星大气阻力所致。打开一张直径7.3米的降落伞，使着陆器的速度降至35米/秒。着陆器上的雷达高度计在距表面1.5千米时（速度为60-75米/秒）开始工作，当测到着陆器距火星表面300米时，其所带的气囊充气，以便着陆器软着陆；当距火星表面50-70米时，着陆器上的反推固体火箭点火工作，进一步减速。最后，着陆器在气囊的保护下落到火星表面。4

需要说明的是，着陆器的进入角（与火星表面的夹角）过平易从大气层上反弹，过陡则难以提供足够的时间完成全部进入、下降和着陆任务。气囊可缓冲着陆器到火星表面时的冲击。

着陆器拟在阿瑞斯谷谷口附近一条向外流的椭圆形河道处降落，之所以选择这一着陆场是因为它离赤道近，阳光充足。另外，此处“海拔”低，能为降落伞减速和雷达高度表捕获火星表面及测高争取时间。落点误差在100千米25千米椭圆范围内。

着陆器是一个锥形四面体，触地时四个表面的气囊能吸收相当于3米/秒垂直速度和50米/秒水平速度下落时的冲击能量，使落地时的冲击力小于50克着陆后，不管着地的姿态怎样，着陆器3个侧面的三解开“花瓣”自动展开，露出着陆器内的各种装置和安装在一侧“花瓣”内表面的微型漫游越野车（因为是自动行走，用于搜集火星原始微生物和原始微生物的化石，所以也被人泛称为机器人）。这种设计能确保着陆器摆正位置。“花瓣”展开后的外露表面上还贴有砷化镓太阳能电池片。关于叫做旅居者的微型漫游越野车有不同说法，有报道说它是一种长0.66米，宽0.48米，高0.30米，重11.5千米的6轮车，也有报道说它是长、宽、高各为0.60米、0.46米、0.18米，重7.5千克的6轮车。其主要任务是勘探。它将在到达火星表面后的头7天内在着陆器的四周完成工程和科学的基本使命。此后将到离着陆器更远的位置去执行范围更广的任务（在离着陆器200米的半径内活动）。4

在越野车从着陆器开出后，着陆器便是一个自动操作的仪器工作站。它探测地个地区不同成分的岩石和土壤，该使命原计划30天，后延长为1年，以搜集因季节变化而不同的火星资料。其上装有火星探路者成像仪（IMP）、α质子X射线频谱议、大气结构和气象实验装置（AST/MET）等，通过17瓦固态放大器和X波段的低增益天线及双轴高增益天线（HGA）通信联络，数据传输速率为700比特/秒。通信设备用100瓦太阳电池和银锌蓄电池供电。特别要指出的是，着陆器上的IMP是一个立体望远镜系统，它装在一根可升降的杆上（能升到着陆器之上0.85米外），带有方位和高低驱动机构，能看到整个着陆器和附近的火星表面。面包箱大小的越野车上也装有α质子X射线频谱仪（APXS）和前视、后视照相机等，用鞭状天线与自动操作的工作仪器站无线电通信，用车顶上的太阳能电池和蓄电池可供电17-30天。它与仪器工作站最大通信距离为500米，而这一距离越野车要走几周才能到达。该车有长轮距、大扭矩的特点，能灵活爬上高15厘米的岩石，速度为1米/分钟。它装有一部自主式导航系统和使车体可以就地转弯的独立操纵的前后轮。它将使科学家首次有机会用设备在火星着陆场区附近漫游，这对评价火星地壳构成很有用，能发现各式各样的地壳岩石。其上的图像显示器与仪器站上的IMP共同研究火星表层与大气之间的相互作用，APXS用于确定火星表面物质中除氧、氦元素以外的物质构成，它装在越野车底盘上，能以各种角度和高度探测火星表面的土壤和岩石，然后通过X粒子与物质的3种相互作用关系分析探测。4

着陆器所获数据将通过轨道器中继续传到地球。科学家将根据传回的图像数据选一些岩石以便2005年运回。

后续工作“火星探路者”计划从提出到发射仅用了3年零2个月，费用不到1.5亿美元（不包括发射费），体现了“更快、更好、更省”这一建造航天探测器的新思路。此后，还将发射数个“火星探路者”探测器，它们将组成“火星环境调查网”，用来全面观测火星上的气候变化和地质结构。到2005年，美国将用一飞船把其中的一个漫游越野车采集的火星样本带回地球。

1998年，美国还将发射“火星全球勘探者-2”号探测器。它将在火星南极表面着陆，载有俄罗斯的着陆器和土壤探测器，这将是美俄“火星共同计划”的开始。该探测器将用机械手在火星表面上挖出一条深沟，以测量火星土壤的硬度和寻找水源。所获数据由探测器携带的一台法国无线电收发机传回地坏。其上的两架广角照相机将通过摄制整个星球的季节变化情况提供火星的大幅照片，另一架高分辨率照相机用于提供选定着陆区域的更为详细的照片。

除了对火星自然环境探测外，科学家还拟在火星上寻找生命的踪迹。至今，仍没有发现火星上有生命的迹象。被称为来自火星ALH84001陨石不能说明火星上有生命存在过，如有生命存在，它应深进而在地下，或有温泉的地方。若真有原始生物在火星上进化过，可能会在古老的河床或温泉处找到进化的踪迹。因此。这些地方将是探测的热点目标。4