探索火星是未來科學必經之路,毅力號火星探測器該如何預見未來

這是船底座星雲寬視場照片,是用ESO HAWK-I相機在紅外視角下拍攝的。許多被隱藏的特徵,比如星塵和年輕恆星組成的天體景觀,都被拍攝了下來

宇宙之大,無奇不有,最讓科學家們感到好奇的是在廣袤的宇宙中到底有沒有其他生命?現在人類的推進科學十分有限,宇宙中所有的星球我們都無法到達,只能通過太空望遠鏡觀察星球大氣條件,宜居帶環境等等因素,推斷這顆星球是否擁有生命。其實有的時候最複雜問題的答案就在我們的眼前,就在太陽系中,有一顆讓科學家很驚奇的星球,這是一顆探測器可以到達並進行探測的星球,它就是火星,火星相比於宇宙中的其他星球可以説是近在咫尺了。

地球,月球,火星,這三顆天體是我們最瞭解的三個天體,因為他們都藴含有豐富的科學研究價值,火星的科學價值尤為重要。多個探測器研究發現,火星表面有河流或者湖泊遺蹟,也就是説火星表面曾經有水,這就説明古代火星擁有一定程度的大氣,擁有大氣就説明古代火星擁有全球磁場。這麼研究下來,火星已然成為了天文學家最想要探索的星球,因為火星可以解答有關古代宇宙生命的問題,古代火星的生命很可能存在。

在另一個星球看日落是什麼感覺呢?這是2015年4月15日好奇號在第956火星日拍攝的,當時好奇號拍攝了四張火星日落照片,組成了GIF。

火星可以説是科學家們研究最多的星球之一,為了尋找古代水遺蹟和潛在的生命化石等等,一個又一個探測器登上了這顆荒涼的星球。其實在古代火星“繁榮”的背後,科學家們更想了解的是,是什麼原因導致了現在火星的荒涼……是突然的嗎?是潛移默化的嗎?火星表面的水手峽谷更讓很多朋友浮想聯翩,深達10公里的峽谷,是外星太空母艦撞擊造成的嗎?所以火星也是科幻作品中經常出現的原型題材。

科學家們對火星情有獨鍾,過去,有太多火星探測器來到了火星,想要從火星地質,火星大氣,火星水遺蹟,潛在的生命科學等等方面研究火星科學。1971年,人類的探測器第一次降落在這顆星球上,開始了與火星科學的邂逅。從這之後,火星軌道探測器,火星着陸器任務紛紛來到了火星,它們針對火星地質,火星液態水遺蹟,火星古生命,火星極地冰蓋等不同方向開始探尋。

截止到2015年,全世界火星探測器與火星軌道器數量

進入2020年,我們將迎來火星探測的新紀元,美國宇航局的毅力號火星探測器將深入調查火星,毅力號火星探測器的首要目標就是尋找古代火星生命的化石或者遺蹟,因為之前的探測數據證明,過去的火星環境對微生物的生存是有利的。未來,人類想把火星表面土壤樣本送回地球,供實驗室科學家分析。所以在整個調查過程中,毅力號火星探測器將收集土壤和岩石的樣本,並將其密封放置在火星表面上,以備將來火星樣本返回任務的開展。

毅力號火星探測器將搭載一個全新的子系統來收集和準備火星的岩石和土壤樣本,探測器上長達2.1米的機械臂上有火星樣本芯鑽和樣本管架。未來,火星的樣品返回任務可以搭載一個小型樣品發射架,將樣本發射到火星軌道,之後由軌道衞星捕獲運載回地球。在地球實驗室中,科學家可以對來自火星的土壤樣本進行分析,瞭解古代火星氣候的同時,給人類以警鐘,瞭解火星上的過去對未來人類有很大的警示作用,荒涼的火星是一個很好的例子。

這是毅力號的樣本緩存系統的硬件原型,毅力號的一個主要目標是精心挑選31個樣本,然後將樣本放置在右邊的圓柱結構中

所以説這是一個承上啓下,着眼於未來的科學探測任務,毅力號火星探測器和好奇號火星探測器外觀近乎一致,但是內部科學載荷有很大升級。除此之外毅力號將使用與好奇號相同的空中着陸系統,但是毅力號擁有兩項增強的功能,能夠在更具挑戰性的地形上着陸,着陸過程也會更加安全。

該任務定於2020年7月發射,當時地球和火星處於相對位置,相較來説可以更輕鬆的在火星着陸,也就是説,這次前往火星所需的能量更少,火星距離地球更近。為了儘可能降低任務成本和風險,毅力號火星探測器的空中着陸系統設計基於好奇號火星探測器着陸架構,這是經過驗證的着陸系統,有實踐經驗就會多些安全。

好奇號火星探測器下降示意

剛才我們説到了,毅力號火星探測器的設計主要基於好奇號但是優於好奇號。其實毅力號相對於好奇號火星探測器的升級點不止如此,工程師們對可靠系統的依賴降低了任務成本和風險,毅力號的遠程行進系統使其能夠在火星表面行駛5至20公里。好奇號火星探測器的車輪一直是科學家們吐槽的一點,與好奇號不同,毅力號具有新的,功能更強的車輪設計以及其他細節改進。

毅力號的兩個前輪和兩個後輪有單獨的轉向馬達,這可以使毅力號原地旋轉360度。車輪輪圈由鈦管制成,中間為鈦合金鋁製,內圈有大量防滑條帶和彎曲的鈦合金條,這是一種彈性支撐結構

二氧化碳轉換裝置

着眼未來,人類宇航員也會登上火星,所以現在我們就需要為宇航員面對火星表面的複雜環境做準備,毅力號火星探測器不僅會收集樣本幫助未來探測器進行火星樣本返回任務,它還搭載了一項科學載荷。火星表面氧氣含量極少,二氧化碳含量達到了96%,所以這項演示任務將會利用火星大氣中的二氧化碳,實現二氧化碳提取轉化技術。這項新技術可以改變未來火星宇航員們的生活,改變火星居住區的生命支持系統,這項技術如果成功的話,其他在火星上工作的重要系統都將被改變。

二氧化碳轉換裝置內部構造

這項演示技術不止可以幫助改變未來火星設施的生命支持系統,還可以幫助工程師學習如何利用火星資源來產生氧氣供宇航員呼吸,氧氣還可以用作助推裝置的燃料,幫助返回火星樣本,甚至是幫助火星宇航員返回地球。換言之,毅力號火星探測器可以幫助回答有關宇航員着陸,探索和在火星生活將面對的技術問題。科學將幫助未來的宇航員提高工作效率,比如氧氣,水等等都可以通過轉化實現,這可以減少未來任務需要攜帶的物資,節省任務預算。

毅力號的科學儀器解析圖,這些儀器將對火星進行前所未有的科學勘探技術調查

科學家一直在為未來任務考慮,毅力號火星探測器就是未來科學的一個體現。更先進的着陸系統,新的樣品緩存系統,車輪設計等細節方面的升級,還有二氧化碳轉化為氧氣的演示性任務,這一切都體現着科學家們的未來科學觀。不過現在來説我們還是要服務於當下,為此,毅力號火星探測器還搭載了7套科學儀器,全方位瞭解火星。這7套科學載荷將負責不同的領域,相輔相成,共同構成毅力號火星探測器。

這是毅力號科學儀器與結構的電腦製圖

首先我們將要了解Mastcam-Z相機系統,該系統具有全景和立體成像功能並具有遠程變焦能力,是幫助毅力號行進的核心繫統之一。接下來我們看到的是多年來火星探測器中的第一台拉曼光譜儀,該光譜儀將提供精細的成像,拉曼光譜儀可以使用紫外線激光確定精細的礦物學並檢測有機化合物,這是毅力號分析表面礦物的核心組件。未來我們可以每天收到火星的天氣預報,這少不了火星環境動力學分析儀組合傳感器,這套傳感器可提供火星温度,風速和方向,壓力,相對濕度以及火星塵埃尺寸和形狀的測量值。

毅力號與好奇號的不同:擁有樣本緩存系統,更多科學儀器,新的23台相機,新的車輪尺寸和踏面設計,擁有AFT後橫樑,在發射過程中可以穩定探測器

火星表面的風景雖然荒涼,但是這才是宇宙中星球的真實面貌,畢竟宇宙中像地球這麼熱鬧的星球還沒發現第二個。記錄火星表面,改變人類星球觀的任務落在了SuperCam儀器上,這是一套可以提供成像,化學成分分析和礦物學分析的儀器,這套儀器最關鍵的是能從遠處檢測岩石中有機化合物的存在。未來,我們看到的火星圖片就可能是SuperCam和Mastcam-Z一起拍攝的。

火星充滿了生命賴以生存的有機分子,研究發現,到了夏季,火星表面會從地面滲出甲烷,還有更復雜的有機分子已在火星土壤中被保存了35億年,大多數包含碳的分子被歸類為有機分子

行星化學無處不在,行星化學數據是科學家們行星科學的理論基礎。接下來我們看到的是幫助科學家不斷完善行星科學理論的X射線岩石化學行星儀器,這是一種X射線光譜儀,它可以觀察火星表面材料的精細尺度元素組成並分析其化學元素,這對於理解火星氣候演化,環境變化來説非常重要。

這張嵌合圖像顯示了一塊破碎的礫岩,這是迄今為止火星表面曾擁有大量液態水的最佳證據之一

行星地質學一直是科學家們瞭解行星的重要領域,毅力號火星探測器地下實驗雷達成像儀可以提供火星地質結構的釐米級分辨率,幫助科學家建立3D模型,瞭解火星的內部。也許這是瞭解火星全球磁場碎片化,區域化的一個關鍵。之後還有一個科學儀器,就是剛才專門提到的二氧化碳轉化氧氣的實驗載荷。

火星雖然荒涼,但是火星表麪包括地下藴藏着很多行星科學。這麼多年來,人類科學一直在進步,我們對火星的瞭解也在逐漸加深,這是科學家們對宇宙的執着,更是對未來科學的新的探索。更重要的,火星也許就是一個長懸頭上的警鐘,數十億年來,火星或許也擁有過黃金時期,但是現在一切煙消雲散,不知道未來的地球會怎樣……

地球是養育人類的搖籃,但是我們不能永遠都在地球上生存,科學在進步,人類的夢想也在不斷前進,太空,月球,火星,甚至是更遙遠的地方,我們都會探索。未來還會有更多的火星探測器會出發前往火星,人類宇航員在未來也會和火星探測器一起在火星表面漫步,這一切都是為了火星表面可持續的未來,現在我們就需要做好準備。多星球文明的物種,不僅是高級文明的象徵,更是科學的必由之路,未來可期,未來火星殖民地,可期。

接下來,讓我們一起欣賞一組火星表面照片:

明顯是由相同物質構成的表面岩石堆,這是用長焦鏡頭拍攝的,遠處距離好奇號有幾百米遠

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