“毅力號”火星車將如何影響未來火星探索?
2021年03月04日10:01

  3月4日消息,2021年2月18日週四,“火星2020”任務中的毅力號探測器在火星表面成功著陸,標誌著NASA將在這顆紅色行星上開啟第九次地表探索任務。毅力號在火星表面的耶澤羅撞擊坑著陸。在這裏,毅力號將開始探索新的陌生地形,尋找古老生命跡象。自第一架航天器飛往火星以來,已經過去了六十年。一開始,人類發送的航天器只能飛越火星,接著進入火星的軌道,再然後是著陸,最後在火星表面漫遊。隨著時間的流逝,人類對火星的瞭解越來越豐富,技術能力也在不斷提高,探索方式和探索目標也在隨之發展。接下來,讓我們一起瞭解一下“火星2020”任務的三個新的挑戰,這使得“火星2020”任務與之前的任務不同,並且有可能影響火星探索的未來。

毅力號火星車
毅力號火星車

  將火星樣本帶回地球

  火星樣本取回(MSR)任務由NASA和歐洲空間局聯合計劃。毅力號任務的主要目標之一就是拿起這個任務的第一棒。毅力號火星車在這個星際接力賽中的角色是收集具有科學吸引力的岩石樣本,然後將樣本送到火星表面的指定位置。最終,另一輛火星車會抵達耶澤洛撞擊坑,取回毅力號堆放的岩石樣本。這輛火星車在取回樣本後,會將它們轉移到火星上升飛行器(MAV)的小火箭中,然後小火箭再攜帶樣本進入軌道,與地球返回艙會合;經過航天器之間的最後一次接力,樣本將踏上返回地球之旅。

  但是,火星樣本取回任務,無論是從技術還是後勤上而言,都十分複雜。僅樣本採集就需要一個極其複雜且多面的機器系統。首先,火星車手臂用來鑿取岩石,然後將鑿取的材料保存到一個小小的樣本試管內;然後,樣本會轉送到火星車內部,接受一系列檢查;最後,樣本試管會被送往密封站,在那裡進行密封保存,等待回程之旅。這個過程的每一個步驟都離不開極高的精確水平,而毅力號在其任務期間可能要執行這個小任務三十多次。當然,毅力號並非完全自主的火星車。也就是說,毅力號去哪裡,鑿取哪塊石頭(不鑿取哪塊石頭)以及在哪裡存放樣品(以便未來的火星車可以找到這些樣本)等等,都需要我們人類來決定,這些都是非常真實的挑戰。毫無疑問,這些決定會在團隊內引發一系列常規討論。火星車可以收集的樣本數量有限,團隊選擇處理這些樣本的方式,不僅關係到任務的成功,而且也關係到整個火星樣本取回任務的成敗。

火星樣本取回任務中的火星上升飛行器,概念圖。
火星樣本取回任務中的火星上升飛行器,概念圖。

  哪怕毅力號完美地完成了它在火星樣本取回任務中的職責,為了將樣本成功送回地球,人類還有更多的工作要做。這些不僅需要花費大量時間和金錢,還涉及多個任務,以及此前從未在火星上使用過的新技術。但是無論如何,潛在的回報也是巨大的。在地球上,科學家可以使用更多不同的科學儀器,從而更好地研究從火星上帶回來的岩石樣本。火星取回樣本任務讓我們有機會在瞭解火星地質以及潛在宜居性方面,取得重大進展。這個任務也能幫助我們規劃未來的載人火星任務。阿波羅號也從月球帶回了岩石樣本。幾十年過去了,科學家仍在研究這些石頭。因為火星樣本取回任務的存在,即便毅力號結束了其在火星表面的任務,它仍將繼續為我們提供科學研究價值。

火星樣本取回任務的總體策略示意圖。
火星樣本取回任務的總體策略示意圖。

  在火星上學習飛行

  毅力號的火星之旅並不孤單。與它作陪的,還有一架小型直升飛機——機智號。在毅力號著陸後,機智號將執行一系列試飛活動。這也是人類有史以來首次在另一個星球上嚐試動力飛行。不過,火星大氣比地球上的更加稀薄,因此在火星上駕駛一架直升飛機絕非易事。火星大氣密度不到地球大氣的百分之一,直升飛機在這樣稀薄的空氣中很難起飛。為了在火星上嚐試飛行,機智號已經在地球上接受了多個測試,包括模擬火星大氣的風洞測試。然而,我們從未能夠在地球上完全模擬火星環境,尤其是我們無法避開地球的引力場。儘管在理論上,火星的低重力環境可以降低直升飛機起飛的難度,但是大自然的工作方式總是出乎我們的意料之外。所以,在這個激動人心的地外實驗中,每個人都無比期待機智號的表現。

  機智號也是首架為火星表面飛行而設計的直升飛機,即所謂的“技術演示”。嚴格來說,直升飛機飛行其實是獨立於毅力號任務之外的另一個任務。假如機智號未能按預期工作,它也不會影響“火星2020”任務的整體成功。但是,如果機智號成功起飛,它們將開啟火星探索的全新方式。事實上,第一架火星車——旅居者號,也是火星探路者號任務中的一個技術演示。事實證明,旅居者號的成功,開創了新一代的火星漫遊探測器。旅居者號之後,NASA啟動火星探測漫遊者計劃,向火星發送了勇氣號和機遇號火星車,接著是好奇號,然後是現在的毅力號。所以,如果機智號取得類似於旅居者號的成功,那麼,在不遠的將來,可能會有更多直升飛機飛行於火星表面。

機智號在火星上試飛的渲染圖
機智號在火星上試飛的渲染圖

  空中探測器可以帶來諸多潛在的優勢。首先,直升飛機可以覆蓋的地表面積遠大於漫遊車;其次,直升飛機也可以提供火星表面的不同視角。機智號上配有兩個鏡頭,試飛期間的拍攝的照片可以讓工程師研究飛行動態,甚至可以協助團隊決定毅力號的前進路線。軌道鏡頭誠然也可以拍攝到火星表面的照片,但是直升飛機從火星上空拍攝的地表照片將更加清晰。這個有利位置對於在火星上(乃至太陽系其他天體上)尋找潛在的有趣地點非常有幫助。(蜻蜓號任務的工作已經在進行中。未來十年內,人類將向土衛六發射蜻蜓號無人太空飛行器。)

  機器人探索之外

  多年來,NASA一直沒有放棄載人火星探索。但坦白而言,這個目標始終看似遙遙無期。儘管先前的火星車探索已經提供大量信息,幫助人類安全往返地球和火星,但人類探索從未成為火星表面探索任務的一個明確目標,直到“火星2020”任務的開啟。

  “火星2020”任務的四個公開的主要任務之一是,獲取有助於為載人火星任務做準備的數據與測試技術。火星車上進行的幾項新實驗將直接與這一目標有關。火星氧氣就地資源利用實驗(MOXIE)儀器將嚐試把火星大氣中的二氧化碳轉變為可供宇航員呼吸和用作火箭推進劑的氧氣。就地資源利用或許會在未來的人類火星表面探索任務中發揮關鍵作用,尤其是考慮到,發射載人MAV離開火星表面返回地球時將需要大量推進劑。從地球向火星運輸大量儲備推進劑成本高昂,因此人們更有興趣知道,火星地表資源是否可以用來就地產生燃料,從而減少航天器的有效載荷。

  火星大氣是一個潛在的推進劑來源,另一個來源是地下冰層。毅力號上的火星地下實驗雷達成像儀(RIMFAX)是有史以來首個發送到火星表面的探地雷達。該雷達成像儀使用雷達探測,可以“看見”地表以下幾米的狀況。火星軌道上的雷達儀器已經發現,該紅色行星的某些區域存在大量地下積冰的證據。如果我們可以從地下提取這些積冰,那麼我們就可以用其來就地生產燃料。諸如RIMFAX之類的儀器可以協助我們從地表識別地下冰層(不過,需要說明的是,毅力號不太可能在耶澤羅撞擊坑附近發現積冰)。

RIMFAX研究火星車下方地層,渲染圖。
RIMFAX研究火星車下方地層,渲染圖。

  毅力號還會攜帶宇航員宇航服材料的五種樣品,這些樣品將被用作“掃瞄宜居環境尋找有機和化學的拉曼和發光儀器(SHERLOC)”的校準目標。但是,這些樣本也將提供一種方法,以研究這些材料在火星表面環境下的持久力。特別是,火星表面瀰漫的塵埃與輻射會對人類探索構成嚴重挑戰。所以,我們有必要設計一種既能在如此惡劣環境中為宇航員提供保護,又能方便宇航員有效工作的太空服。對於夢想著有朝一日踏上火星的人們而言,毅力號的這一個任務著實令人期待。通過蒐集火星表面環境的數據以及在其中測試創新技術,毅力號任務或許可以讓載人火星探索任務夢想成真。

毅力號上攜帶的宇航服材料。
毅力號上攜帶的宇航服材料。

  在許多方面,毅力號任務代表了火星探索的下一步進化步驟。通過這些首創,毅力號將為未來機器人和人類開闢一條新的道路。過去,人類經曆了許多;未來,人類將擁抱更多。(勻琳)

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