好奇號火星探測器

好奇號火星探測器

好奇(Curiosity)號火星探測器是一個汽車大小的火星遙控設備。是美國第七個火星著陸探測器,第四台火星車,也是第一輛採用核動力驅動的火星車,其使命是探尋火星上的生命元素。項目總投資25億美元,是截至2012年最昂貴的火星探測項目。

  • 中文名稱
    好奇號
  • 外文名稱
    Curiosity
  • 發射時間
    2011年11月26日 23:02(GMT+8)
  • 著陸時間
    2012年8月6日 13:30(GMT+8)
  • 發射地點
    美國佛羅裏達州卡納維拉爾角
  • 著陸地點
    火星蓋爾隕石坑
  • 隸屬機構
    NASA
  • 使命
    探尋火星上的生命元素
  • 運載器
    Atlas-V541火箭(AV-028)
  • 動力
    放射性同位素熱電池(鈈-238)
  • 臂長
    2.1m
  • 車輪直徑
    0.5米
  • 高度
    2.1m
  • 寬度
    2.8m
  • 長度
    3.0m(不包括機械臂)
  • 充電
    多任務熱電發生器(MMRTG)
  • 發射質量
    3893kg

​項目背景

自20世紀初期開始,人們憑著望遠鏡中看到的火星影像和頭腦中的想象,認為火星上可能存在生命,乃至火星人。然而,當最早的著陸探測器美國宇航局發射的海盜1號和2號在1976年觸及火星表面的時候,人們大失所望,來自海盜2號的照片顯示了一個寒冷、貧瘠、幹燥、顯然死掉了的行星。然而,也是在同一時期,科學家在地球海洋底部的深海熱泉裏發現了極端微生物的存在,這證明生命可以適應各種環境。

好奇號火星探測器好奇號火星探測器

火星探測器是一種用來探測火星的人造衛星。1962年,前蘇聯發射的‘火星1號’探測器是人類向火星發射的第一個火星探測器,美國發射了水手4號探測器,並成功飛到距離火星1萬公裏處拍攝了21幅照片。自20世紀60年代以來,美國發射十餘次火星探測器,僅6次實現火星著陸 。

1996年,美國宇航局發射了火星全球勘探者號探測器。這開啓了新的探索火星的時期,一系列的軌道器和著陸器被送往火星。探測的結果讓科學家了解到,火星其實蘊藏著活力。

2004年登入火星的勇氣號和機遇號火星車已經發現,火星在過去曾經是溫暖和濕潤的,甚至可能存在過海洋。但是後來它的環境發生了巨大的轉變。自那時起,美國宇航局火星探測任務的科學目標就圍繞考察火星是否曾經支持生命存在而進行,好奇號火星車亦進一步推進美國宇航局“跟著水走”的戰略。

2008年11月18日,一項面向全美五歲至十八歲學生的為火星車命名的比賽開始。2009年03月23日至29日,普通公眾有機會為九個進入決賽的名字進行投票,為火星車的最終名稱作為參考。2009年05月27日,NASA宣布六年級的華裔女生馬天琪所起的“好奇”這個名稱最終贏得了勝利。

火箭發射

美國“好奇”號火星車于2011年11月26日從佛羅裏達州卡納維拉爾角空軍基地41號發射台發射升空。美國航天局電視台畫面顯示,“好奇”號的升空時間為美國東部時間10時02分00秒211毫秒(台北時間23時2分)。

美國東部時間2012年8月6日凌晨1時30分(台北時間6日13時30分),新型火星探測器“好奇”號計畫著陸火星表面。作為一個星際間太空飛行器,“好奇”號的能量來自鈈,大小隻有一輛小型機動車大小它已經從地球出發,旅行了八個半月了。“好奇”號攜帶的電腦會控製著陸過程,放慢速度,小心登入火星表面。因為火星和地球之間存在時間差,地球上的科學家將在火星車著陸14分鍾後才得到反饋。不過,美國宇航局官員表示,此後,還得需要幾個小時甚至幾天的時間才能確認著陸成功與否。首次獲取火星岩石樣本動態圖

美國“好奇”號火星探測車2012年8月19日首次使用高能雷射槍擊打火星岩石,以期分析火星岩石礦物成分。

好奇號發射升空好奇號發射升空

好奇號火星漫遊車利用機械臂末端的鑽頭鑽取了火星表面一塊基岩的樣品,這是首次通過鑽探獲取火星岩石樣本。NASA稱這是好奇號自2011年八月抵達火星以來所取得的最大的具有裏程碑意義的成就。著陸後,地面控製人員將指示好奇號利用攜帶的科學設備分析樣品,分析其礦物和化學成分,以確定火星上是否有水,是否有或曾經有適合生命存在的環境。

台北時間2012年9月27日,英國每日郵報報道,美國宇航局“好奇”號火星探測器在探索火星地貌時,遇到一塊外形奇特金字塔形狀的岩石。美國宇航局已去世的一名員工傑克·馬蒂耶維奇命名這塊岩石。這塊金字塔形“傑克·馬蒂耶維奇”(Jake Matijevic)岩石將首次測試好奇號最先進的分析儀器。漫遊車將首次利用α粒子X-射線光譜儀(APXS)檢測該岩石的組成成分。

漫遊車將于同一個火星日再次啓程,它已經連續形成了138英尺(42米)的距離,是當前(2012年9月27日)最長的旅程。7周前,好奇號著陸火星,開始了長達兩年的火星任務,將利用10項儀器評估在蓋爾環形山精心挑選的研究地區,後者提供的環境條件被認為適合微生物生命存在。

設計參數

重量

發射質量3893kg,包括899kg的火星車;2401kg的進入、下降和著好奇號在火星陸(EDL)系統(包括降落傘和下降階段的使用的燃料);以及539kg的巡航機(包括燃料)

大小

長度3.0m(不包括機械臂);寬度2.8m;最高處高度:2.1m;臂長:2.1m,車輪直徑0.5米

動力

鋰離子電池提供動力,多任務熱電發生器(MMRTG)提供充電,MMRTG由洛斯·阿拉莫斯國家實驗室研製,重45KG,包含4.8千克的鈈-238

運載器

聯合發射聯盟(ULA)研製的Atlas-V541火箭(AV-028)

主控電腦

採用2台(其中一台為備用)IBM特製型號的電腦,可以承受-55和70度氣溫變化以及1000戈瑞的輻射水準。

硬體IBM PowerPC 750為基礎的RAD750處理器(可以提供400MIPS運算能力),256KB EEPROM,256MB DRAM,2GB 快閃記憶體[9]

軟體在軟體方面,NASA採用VxWorks作業系統。VxWorks由Wind River Systems(已火星車全局圖被Intel收購)開發,是在大量嵌入式系統中採用的即時作業系統。之前的火星探測器(旅行者、勇氣號、機遇號)、火星偵察軌道器和SpaceX Dragon太空飛船都採用VxWorks。

資料傳送

好奇號與地球的直接資料頻寬大約8Kbit/s左右,但與火星探測器2001火星奧德賽號的最理想傳輸頻寬則能達到2Mbit/s,而2001火星奧德賽號與地球的頻寬為256Kbit/s。當探測器從漫遊車上空飛過時,每次能通信八分鍾,最多能傳輸250Mbit的資料,而這250Mbit資料需要花20多分鍾才能傳輸到地球。

壽命:“好奇”號的設計壽命是一個火星年,也就是大約687個地球日,或者669個火星日。

附屬設備

大型設備

好奇號火星車減速傘:火星科學實驗室的減速傘是飛往火星的最復雜的太空艙。設計必須考慮到它的龐大體積和重量,它是被發往這顆紅色行星的最大的火星車,需要降落在火星上的精確位置上。

好奇號火星探測器好奇號火星探測器

隔熱板:“好奇”號的隔熱板和圓錐形後殼是有史以來在這方面最大的。它們使該火星車的外殼寬達15英尺(4.5米),比以前的火星車使用的隔熱板都大,甚至比把宇航員送往月球的“阿波羅”號飛船使用的隔熱板還大。用來保護火星車“機遇”號和“勇氣”號的隔熱板寬8.5英尺(2.6米),“阿波羅”號使用的隔熱板寬不足13英尺(4米)。

這個新型火星車的大小跟一輛小型轎車一樣。它在這顆紅色行星上降落過程中,為了把高溫擋在外面,這個隔熱板是用一種被稱作酚碳熱燒蝕板(PhenolicImpregnated Carbon Ablator, PICA)的材料製成的。這是火星任務第一次使用這麽大的隔熱板。碳熱燒蝕板是由美國宇航局的艾姆斯研究中心發明的,這種材料作為美國宇航局回歸地球的太空艙“星塵(Stardust)”號的隔熱板,首次飛入太空。科學家利用“星塵”號太空艙收集一顆彗星的粒子並于2006年把樣本帶回地球。

核電池提供穩定動力:“好奇”號的動力由一台多任務放射性同位素熱電發生器提供,其本質上是一塊核電池。因為使用了核動力。該系統主要包括兩個組成部分:一個裝填鈈-238二氧化物的熱源和放射性同位素發電機所在位置示意一組固體熱電偶,可以將鈈-238產生的熱能轉化為電力。這一系統設計使用壽命為14年,也高于太陽能電池板。該系統足以為“好奇”號同時運轉的諸多儀器提供充足能量。“好奇”號的設計行程將超過19公裏,並將在火星表面攀登高山。1997年,由“火星探路者”號攜帶升空的“旅居者”號火星車著陸。與這位重約10公斤的老前輩相比,“好奇”號要先進得多。

天空起重機:美國宇航局專門為“好奇號”火星車設計了一套復雜的著陸程式。該火星車進入這顆紅色行星的大氣後,將借助一個大降落傘把它的隔熱板及後殼扔掉,以減慢下降速度,然後再利用被稱作“天空起重機(Sky Crane)”的推進器慢慢下降。這個起重機將利用電纜把該車放在火星表面,然後它會飛走最後墜毀。首次使用一種被稱作“天空起重機”的輔助設備助降。由于難度高、風險大,美國航天局稱之為好奇號在天空起重機的幫助下降落“恐怖7分鍾”。“天空起重機”和“好奇”號組合體在經過大氣摩擦減速和降落傘減速後“天空起重機”開啓8台反沖推進發動機,進入有動力的緩慢下降階段。當反沖推進發動機將“天空起重機”和“好奇”號組合體的速度降至大約每秒0.75米之後,幾根纜繩將“好奇”號從“天空起重機”中吊出,懸掛在下方。距離地面一定高度時,纜繩會被自動切斷,“天空起重機”隨後在距離“好奇”號一定安全距離範圍內著陸。“好奇”號于2011年11月26日發射。它將在火星表面著陸探測,以查明火星是否曾經存在適宜生命存在的環境。與到2011年仍在火星上探測的“勇氣”號和“機遇”號火星車相比,“好奇”號個頭要大得多,所攜帶的探測設備更多、更先進,在火星表面的連續行駛能力更強,它將是下一個10年中美國火星探測項目的“開篇之作”。

好奇號火星探測器好奇號火星探測器

小型設備

桅桿相機:(以下簡稱MastCam)是“好奇”號的主要成像工具,負責拍攝火星地貌的高解析度彩色照片和影片,供科學家進行分析。MastCam由兩個照相系統構成,安裝在“好奇”號主車身上方的一個桅桿上。在“好奇”號在火星表面行進時,MastCam能夠獲得很好的視野。MastCam拍攝的照片將幫助任務組驅動和操控“好奇”號。

儀器位置示意圖火星手持透鏡成像儀:(以下簡稱MAHLI)功能相當于一個超級放大鏡,允許地球上的科學家更細致地觀察火星上的岩石和土壤。這台儀器可以拍攝小到隻有12.5微米(不及一根人發的直徑)的地貌特征彩色照片。MAHLI安裝在“好奇”號的5關節7英尺(約合2.1米)機械臂末端,本身就是一個工程學奇跡。形象地說,這台儀器就是科學家的一個高科技手持透鏡,將對準他們希望對準的任何地方。

火星降落成像儀:(以下簡稱MARDI)是一台小型攝影機,安裝在“好奇”號的主車身上,負責拍攝“好奇”號降落火星地面過程的影像。屆時,這輛火星車將借助一個懸浮的火箭動力太空起重機完成降落。MARDI將在“好奇”號距離火星地表1英裏(約合1.6公裏)或2英裏(約合3.2公裏)時啓動,此時的“好奇”號將丟棄隔熱板。在“好奇”號觸地前,這台儀器將以每秒5幀的速度拍攝影像。MARDI拍攝的錄像將幫助“火星科學實驗室”任務組規劃“好奇”號的火星之旅,同時為科學家提供登入地——直徑100英裏(約合160公裏)的蓋爾隕坑的地質信息。

火星樣本分析儀:(以下簡稱SAM)是“好奇”號的心髒,重83磅(約合38公斤),佔到“好奇”號所攜科學儀器總重量的一半左右。SAM由3個獨立的儀器構成,分別是質譜儀、氣相色譜儀和雷射分光計。這些儀器負責搜尋構成生命的要素——碳化合物。此外,它們還將搜尋與地球上的生命有關的其他元素,例如氫、氧和氮。

SAM安裝在“好奇”號主車身內。“好奇”號的機械臂通過車外的一個進口將樣本送入SAM。所採集的一些樣本將來自于岩石內部,利用機械臂末端2英寸(約合5釐米)的鑽頭鑽入岩石提取。這是第一個安裝可提取岩石內部樣本的工具登入火星的火星車。

化學與礦物學分析儀“(以下簡稱CheMin)可用于確定火星上的礦物類型和數量,幫助科學家進一步了解這顆紅色星球過去的環境。與SAM一樣,“好奇”號的機械臂通過車外的一個進口將樣本送入CheMin進行分析。分析時,這台儀器向樣本發射X射線,根據X射線的衍射確定礦物的晶體結構。克裏斯普在接受太空網採訪時表示:“在我們看來,這就像是在變魔術。”X射線衍射是地球上的地質學家使用的一種重要的分析技術,從未在火星上使用過CheMin將幫助“好奇”號進一步了解火星礦物的特征,超過它的前輩“勇氣”號和“機遇”號火星車。

化學與攝像機儀器:(以下簡稱ChemCam)可以向30英尺(約合9米)外的火星岩石發射雷射,使其蒸發,而後分析蒸發的岩石成分。借助于這台儀器,“好奇”號可以研究機械臂無法觸及的火星岩石。此外,ChemCam同樣可以幫助任務組在遠處確定是否應該派遣“好奇”號前往一個特定的地帶進行探測。ChemCam由幾個不同組件構成雷射器安裝在“好奇”號桅桿上,旁邊是一台攝像機和一架小型望遠鏡。3台光譜儀安裝在車身上,通過光纖與桅桿上的設備相連,負責分析蒸發的岩石樣本中受激電子發出的光線。

阿爾法粒子X射線分光計:(以下簡稱APXS)安裝在“好奇”號機械臂末端,負責測量火星岩石和泥土中不同化學元素的數量。屆時,“好奇”號將讓APXS與樣本接觸,APXS通過發射X射線和氦核進行分析。這些“彈葯”能夠將樣本中的電子撞出軌道,進而產生X射線。根據放射出的X射線的特征能量,科學家能夠確定元素的類型。“機遇”號和“勇氣”號安裝了早期版本的APXS,用于揭示水在影響火星地貌過程中扮演的角色。

中子反照率動態探測器:(以下簡稱DAN)安裝在“好奇”號主車身背部附近,將幫助火星車尋找火星地下的冰和含水礦物質。這台儀器將向地面發射中子束,而後記錄下中子束的反彈速度。氫原子往往延緩中子的速度,如果大量中子速度遲緩,便說明地下可能存在水或者冰。DAN能夠發現地下6英尺(約合2米)濃度隻有0.1%的水。

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輻射評估探測器:(以下簡稱RAD)體積與一個烤面包機相當,在設計上用于幫助準備未來的火星探索任務。這台儀器負責測量和確定火星上所有類型的高能輻射,包括快速移動的質子和伽瑪射線。RAD的觀測資料允許科學家確定宇航員暴露在火星環境下時將受到多大劑量的輻射。此外,這一信息也有助于科學家了解輻射環境對火星生命的產生和進化構成多大障礙。

火星車環境監測站:(以下簡稱REMS)安裝在“好奇”號桅桿中部,是一座火星天氣監測站,負責測量大氣壓、濕度、風速和風向、空氣溫度、地面溫度以及紫外輻射所有這些資料匯聚成每日和每季報告,幫助科學家詳細了解火星環境。

火星科學實驗室進入、降落與著陸儀:(以下簡稱MEDLI)並不是“好奇”號攜帶的儀器之一。這一裝置內置在隔熱板中,負責在“好奇”號穿過火星大氣層過程中對其進行保護。在“好奇”號穿過火星大氣層過程中,MEDLI也負責測量隔熱板經受的溫度和壓力。這些信息將幫助工程師了解隔熱板的狀況,同時利用這些資料改進未來的火星探測器。[11]

導航相機:好奇號在桅桿上裝有兩對導航用的黑白3D相機,每個有45度的視野。主要用于輔助地面控製人員規劃好奇號的行動路線。

化學相機:用高能鐳射在遠達七米外氣化分析目標,通過分析過程中發出的強光,來測定目標物的成分。

避險相機:好奇號在四個角落的較低位置各裝有一對避開障礙用的黑白3D相機,每個約有120度的視野。它們主要用來防止好奇號意外撞上障礙物,並在軟體的幫助下,讓好奇號能夠在一定程度上自主決定行走路線。

機械手臂:好奇號的機械手臂備有鑽頭,可鑽入岩石內部採集樣本,並在機身內進行化驗,將分析結果及時回傳地球上的NASA。

攜帶這些“科學武器”的“好奇”號相當于一個標準的野外地質學家,其能力足以令此前的任何火星著陸器相形見絀。以核燃料鈈提供動力的“好奇”號在火星表面的連續行駛能力和機動能力都更強。美國航天局火星探測項目主任道格·麥奎斯申認為,“好奇”號是航天局“極為重要的旗艦項目……重要性與哈勃(太空望遠鏡)相當”。

探索發現

拍到火星日偏食

好奇號火星車拍到的日偏食2012年9月,好奇號火星車拍攝了大量火星日偏食的照片。地球上的日食由月球在太陽和地球之間穿過形成,火星上的日食則由火星的兩顆衛星所致。照片中,太陽被火衛一遮住,好像被“咬”了一口。

發現火星古河床遺跡

2012年9月27日,美國宇航局的科學家稱,他們在“好奇號”傳回的火星照片上發現,在蓋爾隕石坑( Gale Crater)北部邊緣和夏普山(Mount Sharp)之間有許多已經聚合成礫岩的碎石,這些碎石應該是非常湍急的河水流過時帶到這裏的。根據這些碎石的大小和形狀,科學家估算出這條古老火星河流的流速為大約0.9米/秒,深度大概相當于人的腳踝到臀部之間的高度。一些碎石已經被磨得十分圓滑,證明它們是經過了漫長的旅程到達這裏的。

拍到火星日偏食拍到火星日偏食

發現不明物體似金屬碎片

2012年10月7日,在首次收集火星土壤樣本時,好奇號火星車發現地面上存在一個尺寸很小的不明物體,好似銀片或者其他某種物品的碎片。10月8日,由于發現地面上的一個明亮物體——可能是從“好奇”號上脫落的碎片——項目組決定不使用機械臂。“好奇”號拍攝了這個物體的照片,以幫助項目組進行鑒別並評估可能對樣本收集帶來的影響。

鐵證證明火星有水

2013年9月,美國航天局“好奇”號火星車發現,火星表面土壤按重量算約2%是水分,這意味著每立方英尺(不到0.03立方米)的火星土壤能夠獲得約1升的水。美國倫斯勒理工學院和美國航天局等機構研究人員2013年9月26日在《科學》雜志上報告說,他們利用“好奇”號攜帶的樣本分析儀,將其登入火星後獲得的第一鏟細粒土壤加熱到835攝氏度的高溫,結果分解出水、二氧化碳以及含硫化合物等物質,其中水的質量約佔2%。論文第一作者、倫斯勒理工學院的勞裏·萊欣說,“現在知道火星上應該有豐富的、可輕易獲得的水”,這是“最令人激動的結果之一”。今後如果有人登上火星,隻需在火星表面鏟起土壤,然後稍稍加熱,就可獲得水。

拍到火星神秘亮光

2014年4月,好奇”號探測器從火星上發回的最新照片中出現一抹神秘的亮光,引發外界熱議。有人說,“好奇”號最新照片顯示火星有“亮點”[12]看起來很像人造光,不排除這個紅色星球上“存在智慧型生命的可能”。

從照片上看,這是一個很詭異的白色“亮點”。由于在周圍暗灰色的背景中顯得很突兀,因此有猜測稱,這很可能暗示火星上存在地下智慧型生命形式。

不過,也有分析認為,更大的可能是照片成像過程中出現了小問題,以前有很多類似的“火星生命論”都被證實是錯誤的。

機械故障

感測器受損

2012年8月22日,美國宇航局通報“好奇”探測器攜帶的“氣象站”之上的一台風況顯示感測器損壞。感測器損壞的原因尚未查明,工程師們估計是“好奇”號著陸過程中火星表面石塊飛濺,擊中了感測器電路,破壞了布線。“氣象站”記錄空氣和地面溫度、空氣壓力和濕度、風速和方向,這些參數由遍布巡視探測器的感測器提供。

拍到火星日偏食拍到火星日偏食

位于小型吊桿正面的風力感測器未受影響,但隻剩下一個感測器,這對全面了解火星上的風狀況帶來了困難,也降低了“好奇”號探測特定方向風速和風向的能力。

鑽頭消毒不徹底

2012年9月11日,當“好奇”號火星探測器最終展開機械臂鑽入火星表面時,美國國家航空航天局(NASA)的科學家希望不要在這個布滿塵埃的紅色星球發現水,因為“好奇”號的一個鑽頭未經嚴格消毒,其表面所攜帶的細菌可能給火星造成污染。

兩台機載電腦故障

美國航天局2013年3月1日表示,由于主電腦出現故障,“好奇”號火星車已進入名為“安全模式”的最小活動狀態,其科學工作也已全部暫停。航天局噴氣推進實驗室“好奇”號項目經理理查德·庫克表示,故障出現于2月27日,當天“好奇”號未向地球傳回記錄的資料,也未按計畫進入睡眠狀態。地面工程師檢查後發現,故障與主電腦快閃記憶體崩潰有關。盡管崩潰原因未明,但科學家推測可能由宇宙射線中的高能粒子所致 。

電腦移除檔案故障致“安全模式”

2013年3月18日,美國“好奇”號火星車項目首席科學家約翰·格羅青格說,由于17日晚第二次遇到電腦故障,“好奇”號再次進入名為“安全模式”的最小活動狀態。出現的新故障是由于電腦系統要移除的一個檔案與“好奇”號正使用的檔案有關聯,移除過程中發出錯誤提示,“好奇”號隨即進入“安全模式”。格羅青格說,“這起並非罕見或不同尋常的事件”,僅意味著“好奇”號投入科學工作的時間再次被延後。若不是出現這次故障,“好奇”號原本將于18日恢復科學工作。目前來看,解決故障可能需要“兩個火星日”(一個火星日長為24小時39分鍾35秒)。

探索意義

根據歐巴馬政府的太空戰略,美國將以火星為太空探索的新目的地。美國航天局計畫到2030年代中期,將宇航員運送至火星軌道。

“好奇”號于2011年發射升空,它將擴大美國宇航局對火星的探索領域,並將有助于天文學家更好地了解這顆紅色行星是否存在水。該火星車收集的資料,或許還有助于科學家弄清火星上是否存在生命,以及火星的可居性問題。該火星車還將對這顆紅色行星的氣候及地質情況進行評估,為人類探索任務做準備。

休眠情況

2013年10月1日,受美國聯邦政府非核心部門“停擺”影響,美國總統歐巴馬說,航天局已“基本關閉”。媒體則說,美國航天已進入“休眠”狀態。目前主要確保維持最重要工作。有報道稱,正在火星上的“好奇”號火星車已進入“保護模式”。

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