[科普中国]-火星科学实验室

简介

火星科学实验室 (Mars Science Laboratory, MSL) 好奇号 (Curiosity)是美国国家航空暨太空总署 探测车计划，于2011年11月25日10点25分（北京时间11月25日23点25分）在卡纳维拉尔角空军基地发射，预计在2012年秋于火星进行精准登陆。 这辆探测车将会比2004年登陆的火星探测车机遇号和勇气号重三倍长两倍。 比起之前其它火星任务，它将携带更多先进科学仪器。 国际社群将提供部份的仪器。 火星科学实验室将由擎天神五号541型火箭发射。 一旦着陆，好奇号将会分析数十个样本，从泥土挖出、从岩石中钻取粉末。 预计将运作至少一个火星年 (约2个地球年)，比起之前任何火星探测车还要探测更广大的区域。 它将调查火星维持生命的可能性。

由儿童命名火星车是NASA的惯例。 2008年11月18日，一项面向全美五岁至十八岁学生的为火星车命名的比赛开始。 2009年03月23日至29日，普通公众有机会为九个进入决定的名字进行投票，为火星车的最终命名作为参考。 2009年05月27日，NASA宣布六年级的马天琪的「好奇」赢得了比赛最终胜利。

构成火星科学实验室主要由巡航级，进入、下降与着陆系统和好奇号漫游车三部分构成。巡航级在探测器的星际航行阶段发挥作用，最多能利用6次轨道正机会将探测器运送到设计的火星进入路线；进入、下降与着陆系统主要由隔热罩、降落伞和空中吊车着陆系统三部分组成。隔热罩主要负责隔离好奇号漫游车穿过火星大气层时所产生的高温，降落伞主要负责将好奇号漫游车的下降速度从2马赫左右降到0.75米/秒，空中吊车主要负责帮助好奇号漫游车以零速度登陆火星表面。好奇号漫游车车长3米，宽2.8米，高2.1米。机械臂长2.1米，车轮直径0.5米，重899公斤，搭载10种探测仪器，分别为“桅杆相机”、“火星手持透镜成像仪”、“火星降落成像仪”、“阿尔法粒子射线分光计”、“化学摄像机”、“化学与矿物学分析仪”、“中子反照率动态探测器”、“火星样本分析仪”、“辐射评估探测器”和“火星车环境监测站”，能够从物理、化学和生物等角度开展一系列科学研究1。

目标“火星科学实验室”是NASA“火星探测计划”（MEP）的一部分，所开展的任务均服务于计划的四大战略目标。这四大战略目标分别为1：

确定火星上是否曾经存在过生命；

描述火星的气候特征；

描述火星的地质特征；

为载人探测做准备。

此外，“火星科学实验室”还有一个特定目标，即确定火星的适居性。为加快推进上述目标的实现，“火星科学实验室”定义了八大具体目标，分属四大领域。生物领域的目标是：

确定有机碳化合物的性质与详细目录；

为构成生命的化学成分碳、氢、氮、氧、磷、硫编目；

识别可能表述生物过程的特征。

地质与地球化学领域的目标是：

研究火星表面和近表面区域的化学、同位素与矿物学构成；

解释岩石和土壤的形成过程。

行星演化领域的目标是：

评估长时间范围例如40亿年内的大气演化过程；

确定水和二氧化碳目前的状态、分布和循环过程。表面辐射领域的目标是确定表面辐射的广谱特征，包括宇宙射线、太阳质子事件和次级中子。

主要技术可拼接扩展的隔热设计“火星科学实验室”的隔热罩使用了一种名为“酚醛树脂浸渍碳烧蚀体”（PICA）的材料，且由27种不同形状的共113片PICA隔热瓦构成。与以往火星着陆器的隔热罩相比，新型隔热罩的技术进步主要包括以下两个方面一是可拼接扩展。PICA材料曾应用整体成型技术在“星尘”彗星探测器的样品返回舱上使用过，然而“火星科学实验室”4.5米的直径使得上述方案无法实施。“火星科学实验室”的隔热罩是世界上第一个拼接式热烧蚀隔热罩。拼接式的隔热设计不仅满足了“火星科学实验室”对隔热材料尺寸的特殊要求，而且为研制尺寸更大的载人或无人深空着陆器隔热罩奠定了技术基础。目前，“奥利安”载人探测飞船正计划应用这种设计模式。二是可承受更加苛刻的进入环境。“火星科学实验室”隔热罩巨大的尺寸使其在进入过程中遇到的气流由层流变为湍流，需要隔离的热量增至以往的2倍以上，面临的应力环境也变得更为复杂（以往的隔热罩大都采用SLA 561V材料，而应力测试表明这种材料无法满足“火星科学实验室”可能遇到的剪切应力环境。事实上，发射前的计算机模拟研究表明，“火星科学实验室”隔热罩在2011年发射窗口承受的极限温度为2090摄氏度，极限热通量为226瓦平方厘米，极限剪切应力为490帕，极限压强为0.332个大气压，极限热载为6402焦平方厘米，而“火星科学实验室”成功登陆火星的事实表明，拼接式PICA隔热罩可承受这一极端环境1。

安全准确的着陆方式“火星科学实验室”的着陆质量达到899公斤，是有史以来质量最大的火星着陆器，目前的材料技术无法让其像之前更小的着陆器一样凭借气囊登陆，只能寻求软着陆的方式。“火星科学实验室”在继承此前火星着陆器降落伞和制动火箭减速技术的基础上，设计了一种新型的进入、下降与着陆系统。该系统的最大亮点在于能将着陆器的着陆精度由150公里提高到20公里，这使“火星科学实验室”在火星岩石等陡峭地面着陆的几率大大降低，着陆安全性大幅提高。为了实现上述目标，NASA主要作了以下几项技术创新首先，在进入阶段，“火星科学实验室”上配备的导航计算机能够计算隔热罩的位置和姿态信息，并根据计算结果自动发出指令，控制隔热罩上的4组8台矢量发动机来修正着陆点。其次，在下降阶段，NASA首次使用一种被称作“空中吊车”的下降级助降。该系统配备的8台反冲推进火箭可消除火星上的风对着陆精度的影响，并让好奇号漫游车以零速度降落在指定位置。此外，在着陆阶段，为了避免下降级上反冲推进火箭激起尘雾损坏探测仪器，在“空中吊车”和好奇号漫游车组合体的速度降至约0.75米秒时，三个尼龙绳和一根电缆会将好奇号漫游车从“空中吊车”中吊出，悬挂在下方。好奇号漫游车接触火星表面后，缆绳会被自动切断，“空中吊车”随后在距好奇号漫游车一定的安全距离范围外着陆。

灵活稳定的供电能力好奇号漫游车利用波音公司制造的“多任务放射性同位素热电发生器”（MMRTG）供电，可避免太阳能供电因火星表面气候条件恶劣影响任务完成质量等问题的发生凤凰号着陆器和勇气号漫游车均由于太阳能供电受限导致任务终止。实际上，NASA利用放射性同位素热电发生器（RTG）开展太阳系探测由来已久，例如阿波罗登月飞船、海盗号火星着陆器以及飞往太阳系边缘的先驱者号探测器。但MMRTG比RTG以往的尺更加先进，主要体现在以下三个方面一是供电范围更加灵活。的热电偶内部充满氮气，这使其热电转换能力不受真空或行星大气条件限制，可执行星际航行和行星表面漫游等多种任务，并且可以分担其他电源的供电压力。此次火星探测任务期间，在火箭发射阶段，MMRTG与箭上电池一同供电在星际巡航阶段，MMRTG与巡航级太阳能帆板一同为组合体供电在好奇号漫游车登陆火星表面后，MMRTG成为唯一的电源海盗号的仅在火星表面供电。二是供电能力更加稳定。采用模块化设计方法，热源模块与热电偶模块内部均无活动部件，且热电偶模块内部增加了弹簧负载固定机构。发射前的工程测试表明，能承受的随机振动强度是以往测试结果最好情况的2.5倍以上。三是供电量更加充足。携带4.8公斤钚238，热源集成了个多用途热源模块，热电偶集成了个热电转换模块，在整个任务期间能将输出功率保持在106~117瓦之间，并能为同时运转多种复杂仪器提供能量海盗1号和2号功率均为70瓦。

自主快速的通信能力与以往的火星着陆器一样，好奇号漫游车采用直接对地X波段和火星轨道器中继特高频UHF波段，负责大部分数据传输相结合的方式与地球进行数据通信。不同的是，好奇号漫游车上安装了一种名为“伊莱卡一精简版”一的软件无线电收发器，在“火星侦察轨道器”上“伊莱卡”软件无线电收发器的配合下，首次实现了火星轨道器与着陆器之间的软件无线通信。“伊莱卡”是一种由喷气推进实验室开发的软件无线通信模式，专门用于行星着陆器一行星轨道器一地球间的中继通信，其基带处理完全用一个可重新配置的现场可编程门阵列实现，对其进行适当的再编程可以适应任何信道编码、调制和数据速率。好奇号与“火星侦察轨道器”间软件无线通信模式的优势主要体现在以下三个方面一是可自主调节数据速率。“火星侦察轨道器”上的“伊莱卡”可根据与好奇号漫游车上“伊莱卡一精简版”之间角度和距离的变化指示后者选择最优的数据速率，进而实现数据传输量的最大化。二是支持捷频。前向链路的频率范围为一乡匕赫，返回链路的频率范围为一兆赫，而传统通信的前向链路频率固定为兆赫，返回链路频率固定为401.585265兆赫。三是数据速率高，最高可达2048千比秒，而传统通信最高为256千比秒。

国际合作这个火星车大小是火星探测漫游者勇气号和机遇号的两倍，重量是其三倍的火星科学实验室将会采集火星土壤样本和岩芯，然后对它们可能可以支持微生物存在的有机化合物和环境条件进行分析。这个任务还将会得到国际许多国家的支持，俄罗斯联邦航天局将会提供一个用于寻找水的基于中子的氢探测器，西班牙教育部将会提供一个气象组件，德国马克斯·普朗克学会化学研究所将会与加拿大航天局合作提供一个分光计。

技术参数质量: 大约3000千克 (包含推进剂)

发射日期: 2011年11月26日15:02

抵达日期: 2012年8月6日05:31

仪器

火星科学实验室将携带10台科学仪器。

主照相机

马林空间科学系统公司将为火星科学实验室提供主照相机。照相机将具有彩色照片拍摄功能，同时可以拍摄高清晰度视频。

主照相机是一部10倍光学变焦多谱立体相机，将能够从火星表面发回高分辨率多谱立体照片和RGB彩色视频剪辑。

10倍光学变焦，60度视场，可以从1千米的距离观察10厘米大小物体

使用贝尔RGB滤镜提供真彩色成像功能

使用多滤镜组提供科学多谱成像功能

使用两个独立镜头提供立体成像功能

提供高清晰度视频压缩功能

基本参数 (设计目标)：分辨率: 150微米/像素 (距离2米)，10厘米/像素 (距离1千米)

波长: 400纳米—1000纳米

视场: 6度—60度

点距: 7.4微米

压缩: 硬件MPEG-2视频压缩 (I帧: 2比特/像素，P帧: 0.67比特/像素)

相机内存: 256 MB SDRAM, 8 GB 闪存缓冲区

质量: 1.86千克 (最佳估计值)

尺寸: 8x9.5x12厘米 (每个镜头)

功率: 13瓦特 (工作，每个镜头)，5瓦特 (闲置，每个镜头)

主照相机可以以10帧/秒采集压缩MPEG-2视频流，不需要探测器主计算机协助，视频大小为相机内部缓冲区大小决定。