人類歷史上最貴的火星車!毅力號為什麼要27 億美元?

人類歷史上最貴的火星車!毅力號為什麼要27 億美元?

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在兩百年前的望遠鏡時代,只有等到每26 個月一次的「火星衝日」,人們才能看到火星的面貌——還未必能看清。到了探測器的時代,歷代火星車正在火星表面,隨時隨地地向地球發回火星最新的資料、照片和聲音。

去年七月,美國太空總署將一個神奇的飛行器送去了將近3 億英里外的火星,並為它取名為「毅力號」。經過六個半月的飛行,毅力號以每小時12100 英里的速度到達了火星大氣層的邊緣,並成功降落。

「毅力號」傳回的火星表面這次發射總耗資約30 億美金,其中毅力號的建造、發射、著陸與運營費用就高達27 億美金。這使得毅力號超過造價25億美金的好奇號,成為人類歷史上最貴的火星車。

資金的大量投入沒有白費,毅力號的落點較之前幾代火星車更為精準、更智慧,它所攜帶的人類歷史上第一架火星直升機開拓了觀測火星的全新視角。更為重要的是,毅力號所開啟的「火星樣品返回」計劃,意味著人們對於火星生命的探索進入了新階段。

益發準確的落點

「降落」,是任何登陸火星的飛行器,都必須經歷的驚險第一步。

人類自1960 年以來先後開展了40 多次火星探測,成功率並不高,此前只有8 次任務成功著陸火星並順利開展探測工作。

火星著陸的難度主要在於兩個方面:一是火星質量大導致著陸的加速度大,需要探測器有更好的減速能力;二是從進入火星大氣開始,探測器無法與地球通信,需要透過自主控制完成著陸。

由於毅力號有1025 公斤重,是迄今為止最重的火星車,其著陸時減速的難度就更上一層。為了解決這一難題,毅力號著陸採取了和好奇號相同的「空中吊車」技術。

在進入著陸的最後階段後,空中吊車會啟動發動機進一步降速,在到達一定距離後,釋放火星車接觸地面,最後空中吊車完成使命,切斷尼龍繩和線纜,自行飛走墜毀。

人類第一輛火星車旅居者號只有微波爐大小,是由探路者號著陸器攜帶著降落到火星表面,使用氣囊完成降落後的緩衝減速,在著陸火星的最後階段借助氣囊多次彈跳來實現緩衝,最終安全停留在火星表面。

之後的勇氣號和機遇號火星車,體型超過200 公斤,攜帶的儀器相對複雜,採用火箭反推和氣囊彈跳完成最後的減速。

相較於前幾代火星車,「空中吊車」技術使得好奇號和毅力號以更為安全穩妥的方式著陸。

然而,在地球上測試「空中吊車」的重要組件並不是件容易的事情,因為火星大氣的厚度只有地球的百分之一,引力只有地球的三分之一。要在地球上模擬火星的落地環境,雖然能做到,但模擬越精準費用越高,這也是為什麼火星車的造價越來越高的原因之一。

對比2021 年的毅力號和2012 年的好奇號,二者雖然都採用「空中吊車」技術,但毅力號顯然更為先進。毅力號採用智慧型辨別系統選擇著陸點之後分離降落傘,而不再像好奇號那樣機械定時、固定式分離減速傘,進而讓毅力號自主性軟著陸變得更安全、更智慧,落點也愈發準確。

23 日,美國太空總署(NASA) 發布了由毅力號著陸艙和火星車拍攝的著陸影片,以第一視角再現了著名的「恐怖七分鐘」著陸過程,這是有史以​​來首次被記錄下的火星著陸影片。

「毅力號」降落時第一視角的畫面儘管此前登陸火星的探測器已經發回了大量的遙測數據和圖像,但此前發射的探測器均沒能記錄下著陸過程中的珍貴影像。而此次傳回的火星著陸影片,為人類進一步了解「恐怖七分鐘」和改進未來的著陸技術,提供了寶貴的經驗。

不一樣的視角

經歷了恐怖的落地瞬間,火星車得以在更近的距離上「觀察」這個紅色星球。

目前,對行星的探測手段主要有環繞探測、原位探測和巡視探測三種。

環繞探測主要在環繞軌道上進行遠距離遙感探測,原位探測是利用著陸的探測器在固定範圍內展開探測,巡視探測即為火星車在火星表面進行觀測。

這三種探測方式各有侷限。環繞探測清晰度受限,原位探測範圍受限,巡視探測雖然較為靈活,但火星車的行走範圍依舊有限。以機遇號」火星車為例,它在14 年的工作過程中總共僅移動了45 公里,相對於火星兩萬多公里的周長來說顯得微不足道。

為了突破種種觀測困境,美國噴氣動力實驗室展開了新的嘗試——「火星偵查直升機」。

人類歷史上首輛火星直升機人類歷史上第一台火星直升機「獨創號」跟隨毅力號一同登上了火星。這架直升機無法直接和地球聯絡,要透過毅力號進行訊息接力傳輸,因此,不能飛離毅力號太遠,最遠航程僅300 公尺,最遠通訊距離為1 公里。

雖然目前的火星直升機看起來功能尚不成熟,但噴氣動力實驗室的科學家們為了實現這一突破,專門為火星直升機研發了專門的模擬裝置。

直升機能夠升空飛行,靠的是旋翼在旋轉過程中與空氣相互作用產生的升力。而火星表面的大氣無論是密度還是成分都與地球不同,因此,火星直升機與地球直升機在構造上將有很大不同。其次,火星上的重力加速度僅為3.7 公尺每平方秒,因此同樣質量的物體在火星上受到的重力將比在地球上小很多。

為了更真實地模擬火星環境,在進行測試時,模擬裝置要先抽走內部的空氣,再注入與火星大氣成分相同的氣體,使裝置內部的氣體密度和氣壓與火星表面基本相當。為了在地球上模擬火星上所受到的重力,這個裝置還用一個連接到直升機頂部的機動吊繩提供拉力,抵消一部分重力作用。

如果獨創號在首次飛行期間成功起飛並懸停,那麼該項目90% 以上的目標都將實現。如果旋翼飛機成功著陸並保持可操作性,最多可以嘗試四次以上的飛行,每一次都是在最後一次成功的基礎上進行的。

火星直升機比軌道上的人造衛星分辨率更高,而且比火星車更靈活。

獨創號將提供一種獨特的視角,在目前高空的軌道飛行器或地面上的火星車無法提供的角度上,傳輸高清晰圖像並進行觀察。它將為未來對這顆紅色星球的探索增加一個空中維度。

水、有機物與生命

幾十年來,各種火星探測器、火星車在地球上進行層層測試,在火星大氣層歷經考驗,在不同維度上觀測火星,無非想要證實一點:火星上是否存在或曾經存在生命?

這幾十年的努力是從尋找「水」開始的。

2004 年1 月,勇氣號、機遇號相繼著陸在火星的古謝夫撞擊坑和子午平原,它們的目標是探尋火星上的冰。

2012 年8 月,好奇號成功著陸於火星赤道一帶的蓋爾撞擊坑中,它的發現一度給了我們無盡的希望。

好奇號透過拍照等遙感方式遠程探測火星表面的地貌、成分,在火星上鑽孔,直接採樣分析火星樣本的成分,發現了噻吩(C4H4S)、芳香族和脂肪族等複雜有機物在火星上的存在。

雖然上述的探測結果看起來收穫滿滿,但這些早期的任務並沒有發現任何決定性的生命跡象,NASA 行星科學部主任洛里·格萊茲(Lori Glaze) 說:「我們現在知道,我們當時設計的實驗並不是探測生命存在的正確方法。」

畢竟火星車上的儀器再先進,也沒有在地球實驗室裡研究得全面。

美國國家太空總署(NASA)和歐洲太空總署(ESA)準備再進一步,展開「火星樣品返回(MSR)」任務。該計劃設想到2031 年,從火星上將樣本取回來。

MSR 工作的核心是在兩公尺長的機械臂末端安裝一個攝影機、分光鏡和鑽探設備的砲塔。科學家將利用砲塔來確定和檢索具有天體生物學意義的物質,將其裝進多達43 個試管,然後儲存起來,供後續飛行任務取回。

具體實現探測和檢索功能的是以名偵探「夏洛克·福爾摩斯」命名的儀器SHERLOC。SHERLOC 安裝在毅力號機器臂前端,包括一個紫外線雷射拉曼光譜儀和一個暱稱「華生」的相機,可以協同工作,精細探測火星表面的礦物成分、有機分子和可能的生命痕跡。

探尋火星生命痕蹟的「夏洛克」2026 年,NASA 將發射樣本回收著陸器(SRL)。SRL 將包括一個固定不動的著陸器、一個ESA 提供的樣本回收車(SFR)和一個高度不超過3 公尺的火星上昇運載火箭(MAV)。

NASA 火星取樣返回任務負責人布萊恩·穆爾黑德表示,MAV 必須要在低溫和多灰塵的火星環境中生存下來,然後還要成功發射並進入火星軌道,「所以,這是一個具有挑戰性的發射場景」。

天問一號副總設計師賈陽則向極客公園表示,樣本取回的降落難度也十分大,「運回時著陸地點要求比較精確,從火星那麼遠的地方運回,要求落到一個地方並不容易。」

目前,火星取樣返回任務仍然處於概念階段,該項目還沒有正式列入NASA 或ESA 的預算中。

但再難的事情也總會被突破。就像對於拿著望遠鏡對火星遙遙相望的人來說,著陸到火星表面近距離觀測是無法想像的,樣本返回難度再大也會隨著技術的發展被攻克。正如同「毅力號」的名字所寄予的希望那樣,堅持不懈地研發、測試、迭代,十年、二十年、幾十年後,人類對於火星的了解勢必將再次實現飛躍。

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