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好奇号火星探测器是如何工作的?天文学家为您解惑

2020-03-24 14:09:06 作者:

除了“精神”和“机遇”:2012年8月,火星有了新的探测器它的六轮驱动、摇臂式转向架悬挂系统和桅杆式摄像机可能与其前身相似,但仅与卡车和悍马相似。我们谈论的是一辆装有火箭包的核动力、激光驱动的巨型科学卡车——一笔25亿美元的交易(税收、产权、停车和运费)图表

:这是美国宇航局最新的无畏火星探测器。好奇号大约有一辆小型越野车那么大,装备齐全,可以参观火星上的盖尔陨石坑。看火星着陆的照片

火星科学实验室,也称为好奇号,占据了火星探测器陈列室的主要位置。它打破了美国宇航局在2003年创造的精神和机遇记录。它长两倍(约10英尺或3米),重五倍(1982磅或899公斤)它是越野的,没有轮毂可以锁住(也没有人可以锁住它们)六个20英寸(51厘米)的铝制轮子可以跨越近30英寸(75厘米)高的障碍物,每天可以在火星地形上移动660英尺(200米)。

女士们先生们,好奇号在2011年携带的工具比朗科的仓库还多——从收集土壤和岩石粉末样品的设备,到准备和分类它们的屏幕,到分析它们的机载仪器好奇号的激光是一种可调谐光谱仪,用于识别有机(含碳)化合物和确定关键元素的同位素比率。最重要的是,其久经考验的核能系统将确保你不会被困在沙尘暴中,该系统长期以来一直用于阿波罗任务中的卫星、宇宙飞船和月球设备。

是的,美国航天局为它重新设计了一个分离模型,将选定的小型科学设备压缩到尽可能小的空间但是不要相信我们的话:问问喷气推进实验室的首席飞行系统工程师罗布·曼宁,他称之为“我们做过的最复杂的事情”

美国宇航局不遗余力地开发迄今为止最雄心勃勃的探测器与以前的火星模型相比,这台机器将使用更大的实验室仪器和传感器进行更多的航空科学研究。如果你今天下订单,美国宇航局将在12英里(20公里)内把它送到你家门口(有一些限制;门必须在2.5亿英里(4.02亿公里)以内你的探测器将比其他着陆更精确,覆盖更崎岖的地面。它将有最好的机会去发现火星上的水流历史和古代可居住环境。是的,如果《汽车趋势》杂志对太空飞行器进行了分类,《好奇号》无疑将获得“年度漫游飞行器”

现在,你为什么不拿着钥匙试驾呢?

从设计到现实的图表

:这是好奇号着陆的盖尔陨石坑请注意,这张艺术概念图在垂直方向上被夸大了,以使人们更好地了解该地区的地形

美国东部时间2011年11月26日上午10:02,经过多年的测试、开发和容错建设,火星科学实验室(MSL)或好奇号由阿特拉斯5号火箭从卡纳维拉尔角空军基地发射升空。它于美国东部时间2012年8月6日凌晨1:32成功着陆火星


在将好奇号安装到外壳上之前,工程师们进行了一系列严格的测试来模拟内部故障和外部问题,包括离心机测试、跌落测试、拉力测试、驱动测试、负载测试、压力测试和短路测试。

与此同时,美国宇航局必须决定新的漫游者将探索哪里,如何到达那里,以及如何安全着陆——说起来容易做起来难。

地球和火星以不同的速度围绕太阳旋转——火星旋转686.98个地球日,而地球旋转365.26个地球日——这意味着它们的相对距离是非常不同的。用尽可能少的燃料到达火星意味着当它经过离我们最近的点时发射它。这不是一个小问题:火星离地球的最远距离(2.493亿英里,即4.013亿公里)是离地球最近距离(3460万英里,即5570万公里)的7倍多

就像四分卫传球。发射系统的目标不是火星在哪里,而是当宇宙飞船到达时它会在哪里。美国宇航局扔了球。250多天后,探测足球到达圆形和红色接收器,并于2012年8月6日(东部夏令时)着陆

美国国家航空航天局没有从地球表面“抛出”好奇号,而是从地球的轨道发射了它方法如下:当运载火箭从卡纳维拉尔角到达太空时,它的前锥体或整流罩像翻盖一样打开。当火箭的第一级一起脱落时,第一级切断并垂直落入大西洋第二级是半人马座发动机,它启动并把宇宙飞船送到停泊轨道。一切准备就绪后,火箭开始第二次燃烧,将宇宙飞船推向火星。

发射后大约44分钟,好奇号从火箭上分离下来,开始与地球通信。在前进的过程中,它偶尔会按计划调整自己的路线。

一旦它进入火星大气层,乐趣就真正开始了。

盖尔环形山

好奇号开始了探索盖尔环形山的旅程,盖尔环形山位于火星南部高地和北部低地之间飓风盖尔直径为96英里(154公里),覆盖面积相当于康涅狄格州和罗德岛的总和。

噪音患者检测器

说明:由于体积较大,好奇号无法进行气囊辅助着陆因此,火星科学实验室使用了如图所示的天车着陆系统,该系统可以将更大的火星车送到火星表面。

火星有一座3英里(5公里)高的沉积山,比西雅图的雷尼尔山塔还要高。这些地层由矿物和土壤层组成——包括粘土和硫酸盐,它们指向水的历史——这将提供火星地质历史的有价值的地图。

在过去,水流入盖尔的低地并聚集在那里,这使得它可能成为溪流、池塘和湖泊遗迹的宝库。因此,这是一个寻找火星过去可居住性证据的理想地方。

,就像沃尔特·惠特曼的“无声的、耐心的蜘蛛”,好奇号将很快被隔离在海角上,发回数据,它的任务控制器将决定“如何探索这个广阔而空旷的环境”然而,它与蜘蛛有更多的相似之处。它细长而有关节的腿像蜘蛛一样延伸到火星表面。

然而,在我们阐明这一点之前,让我们先来看看当我们第一次到达火星时,在火箭的帮助下宇宙飞船的跳跃。

当搭载好奇号的宇宙飞船在离地面78英里(125公里)的火星大气中摇摆时,它通过一系列类似航天飞机的S形曲线运行和刹车。着陆前几分钟,飞船从离地面约7英里(11公里)的地方弹出一个降落伞,以减缓其900英里/小时(1448公里/小时)的下降速度。隔热罩随后从圆锥体底部弹出,为好奇号创造了一个出口。

月球车的上层像龟壳一样被夹在后面,与圆锥体完全分离。过了一会儿,安装在火箭边缘的刹车火箭爆炸了,将火箭和探测器固定在离地面66英尺(20米)的地方。从这里开始,上面的舞台就像天空中的一只鹤,像蜘蛛丝上的蜘蛛一样降低好奇心。探测器安全着陆后,电缆被切断,好奇号开始了它的旅程。在

着陆前不久,火星下降成像仪捕捉到了着陆区的高清彩色视频。该视频有助于着陆,并为研究人员和任务专家提供了探索区域的鸟瞰图。另一组仪器,火星科学实验室入口、下降和着陆仪器包,将测量大气条件和航天器性能美国宇航局将利用这些数据来规划和设计未来的任务。

新着陆系统比以前的任何系统都复杂,但它也能被更精确地控制,这使任务规划者能够瞄准盖尔环形山的长期目标对于勇气号和机遇号来说,不可能在好奇号12英里(20公里)的目标区域着陆。使用他们的太空时代泡沫垫来反弹需要五倍的好奇心。这一成功开辟了一系列理想的地点,包括陡峭的环形山,这些环形山以前由于复杂的地形而被禁止进入。

好奇号也将为未来的任务打下基础,就像以前的火星之旅使探索新的探测器成为可能一样。此类任务可能包括挖掘岩石并将其送往地球,或者进行更深远的地表勘测,以寻找火星微生物生命及其关键化学成分的证据

现在我们已经安全可靠地着陆了,让我们看看火星科学实验室的标准设备。

非标准设备

插图:看看好奇的人装载的所有设备

。无论是为两周假期做准备,还是在数百万英里之外充满敌意的沙漠中进行科学考察,基本问题都是一样的:

带来了什么,带来了什么...

与地面游客不同,他们可以跑到街角的商店去更换被遗忘的牙刷。好奇心完全取决于他们自己没有维护人员在待命,后备箱里没有备用零件,来自地球的每一个信号都需要大约14分钟(直到2012年8月)才能到达,你所能做的就是自力更生。然而,好奇号不会去火星观光它的任务是收集岩石和土壤样本,并将它们放入空中仪器进行分析。考虑到这一点,月球车配备了一个7英尺(2.1米)高的摄像杆和一个7英尺3关节机械臂,其附件比工业真空吸尘器多。样品收集/样品制备和处理系统将收集、去除灰尘、钻孔、粉末、收集、分类和筛选样品,并将样品转移到各种分析资产

。小型气相色谱仪和质谱仪将分离和分析样品中的化合物。

可调谐激光光谱仪将寻找有机(含碳)化合物,并确定关键同位素的比例——这两者对于揭示火星过去的大气和水环境都至关重要。

Chemin是一种X射线衍射和荧光仪器,将测量样品的整体成分并检测其组成矿物

。位于探测臂上的火星手透镜成像仪将拍摄非常接近的岩石、土壤和冰(如果有的话)的照片这款超级相机可以捕捉比头发还细的细节,或者聚焦在手臂以外的物体上

火星科学实验室的α粒子x射线光谱仪也位于手臂上,它将计算火星岩石和土壤中各种元素的相对含量

好奇号的颈部或桅杆也装饰在仪器上:

火星科学实验室桅杆照相机(MSLMC)安装在人眼的高度,这将有助于探测器导航并以高分辨率立体和彩色静止图像或高清视频记录周围环境。摄像机可以查看由车辆臂收集或处理的材料。

。立体安全摄像机位于桅杆下,有助于探测器的导航。

是另一种桅杆式仪器Chemcam,它将使用激光脉冲蒸发30英尺(9米)外的薄层物质,然后用分光计进行分析。它的望远镜可以捕捉光束目标区域的图像。

除了这些样品分析仪器外,探测器还配备了科学仪器来检查当地情况,这可能与未来人类的任务或了解地球维持生命的能力有关:

。放射性评估探测器将监测表面的辐射水平。

探测器环境监测站将读取大气压力、温度、湿度、风力和紫外线辐射水平

中子动态反照率仪可以探测到地球表面以下3英尺(1米)处的氢——这是矿物中潜在冰或水的指示器。

这是一个令人印象深刻的豪华约会,但它不会给美国宇航局带来任何好处,除非好奇号把它藏在引擎盖下。让我们看看这只小狗有什么力量。

运输空间

“科学怪物卡车”不是一辆燃烧氮气和喷火的滑稽汽车,也不是一辆普通的老式内燃机车它也没有展示为其前身发电的太阳能电池板。不,美国宇航局在这次任务中使用了核能。好奇号从氧化钚获得能量当放射性同位素衰变时,它释放热量,探测器用热电偶将热量转换成电能。这种多任务放射性同位素热电发生器(MMRTG)将使探测器的电池保持110瓦的电量。

这个系统的功率比太阳能电池大,而且没有可拆卸的活动部件,但是这个发电机能比旧的砷化镓电池性能更好吗?毕竟,“勇气号”一直工作到2010年春天,而“强机遇号”仍在转动它的里程表,它的里程表达到了每天21英里(34公里)和328英尺(100米,大约相当于一个美国足球场的长度)。这些非凡的车辆远远超过90天任务的部分原因是免费的和可再生的太阳能。

好吧,先不要使用核能。放射性同位素系统的14年寿命可能比探测器本身的寿命更长,而且它永远不会成为火星天气、尘埃或冬天变幻莫测的牺牲品。

此外,额外的力量值得衡量:好奇号将覆盖比以前的好奇号更多的地面,速度大约是以前的两倍。在火星上的一年内(大约687个地球日),它将在盖尔环形山飞行12英里(19公里),携带的科学有效载荷是勇气号或机遇号的10-15倍电力将保持可用,好奇号将利用多余的热量来维持重要仪器的温度。

有助于好奇号有效利用这一马力。它是老式月球车的改进型摇臂式转向架底盘(见侧栏),由连接到六个铝车轮上的钛管组成。这些铝制车轮非常薄,可以像橡胶一样弯曲。所有四个角轮可以旋转90度,使探测器能够原地旋转。工程师们在一定程度上改进了好奇号的悬挂系统,以适应其作为起落架的新角色,并成为一种能够穿越更崎岖地形的重型车辆。着陆后不久,底盘将把漫游者带到它的第一个目的地:一个绰号为“栅栏”的光秃秃的岩石。美国宇航局瞄准了这块岩石,因为之前的火星观测表明,这块岩石含有含水沉积物——水中形成的矿物质。从那里,“好奇号”将冒险进入峡谷、多岩石的山坡和丘陵地区,让人想起亚利桑那州的塞多纳红岩,它们也是在水环境中形成的。那时,它的第一个火星年已经过去了

从那里,探测器将穿透更多的岩石和更崎岖的地形。探索这个区域需要几年的时间,但是一旦相机通过探测器,它将被视为好奇号所走道路的全景。

在此过程中,火星科学实验室将调查火星上是否存在微生物生命,以及微生物生命的线索是否保存在火星的岩石和土壤中。

摇臂转向架

好奇号的悬挂系统与之前的火星漫游者“精神与机遇”相同该系统既不使用轴也不使用弹簧,因为每个车轮可以独立地上下移动,所以它可以保持稳定。由于火星的引力和巧妙的地球工程,月球车被动地将所有六个轮子保持在地面上,并持续承受负载,即使在清除接近30英寸(75厘米)的障碍物时也是如此这种力的平衡提供了至关重要的牵引力,尤其是在软沙环境中。柔性悬架还可以“吸收”一些倾角,使月球车更加平衡。

参考

1。维基百科全书

2。天文名词

FY:

作者:NICHOLAS GERBIS

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