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去火星上“科考”,在哪著陸很重要

2018/11/29 15:30:32 1996
來源:科技日報 新聞記者:哈爾濱工業大學深圳校區博士后 責任編輯:劉婧婷、吳亞雄



11月26日,“洞察”號火星探測器成功在火星埃律西昂平原著陸,開始了對火星內部結構和現象的探測。“洞察”號著陸的埃律西昂平原是一片火星赤道附近的巨大的火山平原,距離“好奇”號火星車著陸的蓋爾撞擊坑僅約600公里。

而就在數天前,美國國家航空航天局(NASA)還公布了下一代火星車“火星2020”號的計劃著陸地點。杰澤羅撞擊坑從三個備選著陸點中脫穎而出,成為了“火星2020”號火星車的目的地。

雖然火星的個頭相對地球要小,但在其約一億四千萬平方公里的表面上為價值連城的火星探測器選定一個合適的著陸點仍然不是一件容易的事,需要工程師與科學家相互配合共同完成。

工程約束是首要考慮

和地球一樣,火星表面有各種地形地貌,既有一望無際的平原,又有深達6000米的峽谷和落差達27000米的太陽系第一高山。對于地球上的汽車駕駛員來說,在平坦的地面上停車顯然要比把車停在斜坡上更為容易,因為既不用擔心汽車溜坡,也不用在起步時實施相對復雜的坡起流程。對于火星車來說,在相對平坦的地形上著陸同樣是風險更小、成功率更高的選擇。火星的地形存在明顯的南北差異。南半球遍布著高低起伏的山脈與峽谷,及大大小小的隕石坑,北半球的地形則相對比較平坦。因此,除了具備特殊探測使命的探測器外,絕大多數的火星著陸探測器都降落在北半球及赤道附近。

探測器在著陸時,一般都需要通過與大氣相互作用來減速,在著陸的最后階段才使用自身發動機提供的動力實現軟著陸。火星的大氣相對稀薄,如果著陸點的地理高程(與地球上的海拔概念類似)過高,那么探測器還沒有被大氣充分減速時就已經與火星表面接觸。因此,一般都要選擇高程較低的區域作為著陸點。

長時間在火星工作的探測器要借助太陽能電池來產生電力。同時,用來導航和檢測障礙的光敏感器也需要較好的光照條件。火星的高緯地區無法獲得充足的光照,因此火星探測器大都會選擇在緯度小于30度的區域著陸。低緯度地區良好的光照條件也帶來了比較溫和的晝夜溫差,不會像高緯度地區那樣出現極端的晝夜溫差和夜間低溫,從而使探測器更容易維持自身的熱平衡。

如果探測器不慎降落在一片充滿巖石的區域,將會給探測器的工作帶來很大的麻煩。巖石會破壞探測器的著陸緩沖機構,阻礙減速發動機的正常工作。同時,對于火星車來說,遍布的巖石還會對它們的移動帶來阻礙。因此,一般要選擇巖石較為稀少的地方作為著陸點。

除了在火星上著陸的探測器外,還有MRO、MAVEN等探測器以圍繞火星飛行的方式為我們帶來火星的全球信息。利用這些軌道器的探測數據,科學家和工程師們可以對火星各個區域是否符合以上硬性約束做出判斷,給出可能的著陸點選項。

科學目標幫助甄選地點

近期火星探測的科學目標以尋找火星上現在或曾經存在生命的證據為主。通過以往的研究,科學家們已經認識到,如果火星上的某片區域曾經是海底、湖盆、河床或者河流沖積形成的三角洲,那么這一區域很可能曾經存在能夠孕育生命的環境。圍繞火星飛行的探測器除了能夠發回最直觀的火星表面照片外,還能利用搭載的多波段光譜儀和測高儀等儀器,帶來火星全球的表面地形地貌、巖石成分等更豐富的信息。科學家們可以根據每艘著陸探測器的具體科學目標,利用火星的全球數據選取一些潛在可用的著陸點。之后,通過不斷的加密探測和比較討論,縮小著陸點候選范圍,并確定實際使用的著陸點。

以“好奇”號火星車為例,這艘火星車最初計劃于2009年發射,為其選取著陸點的工作在2006年就開始了。NASA向“火星探測項目分析組”的成員發出了征集著陸點的通知,各個研究機構的科學家們開始進行選點工作。很快,科學家們提交了33個可選的著陸點方案。NASA據此調整了環繞火星探測器的探測計劃,以進一步獲得這33個可選著陸點更細致的遙感觀測信息。

一年后,科學家們再次召開研討會,利用已經獲得的數據對著陸點進行了遴選。遴選主要考察四個方面的因素:獲取地質學特征的能力、適宜生命存在的證據、生物特征的存在以及評估該地點孕育生命潛力的能力。在經過3天的討論后,著陸點的候選者被降低到6個。

有趣的是,“好奇”號實際使用的蓋爾撞擊坑著陸點,在此輪PK中就已經出局了。然而,2008年,MRO探測器上搭載的CRISM光譜儀帶來了新的巖石成分探測數據。這些數據的分析表明,蓋爾撞擊坑中存在大量只能在富含水的環境中形成的礦物,意味著這里曾經存在著湖泊。此外,該處的地貌特征也表明此處曾經頻繁地被洪水沖刷過。

這些新情況引起了科學家們的極大興趣,并將蓋爾撞擊坑重新列為備選登陸點。此時,“好奇”號任務由于其他原因被推遲到了2011年,科學家們獲得了更長的時間來對著陸點進行更為充分的評估。

2010年,在召開了最后一次研討會后,科學家們仍然沒有對著陸點的選取達成一致。因此,包括蓋爾撞擊坑在內的四個候選點的優勢、劣勢和科學家的建議被總結在一份僅有4頁的文件中提交給NASA總部,由NASA官員做出最后的決定。從成功著陸至今,“好奇”號已經帶來了大量的新科學發現,今年6月還發現了有機物分子存在的證據,從而說明選取蓋爾撞擊坑作為著陸點是相當成功的。

載人登陸有更多要求

目前,對載人登陸火星的著陸點研究也在進行當中。和探測器一樣,載人任務也需要在一片較為平整的地形上實現軟著陸。其地理高程較低、地勢平坦無大量巖石等要求與無人探測的著陸點要求一致。此外,載人登陸火星還要考慮更多因素。

由于從地球前往火星的運載成本巨大,因此在當前的技術條件下宇航員們很難攜帶大量的水前往火星,他們日常生存所需要的水必須在火星上就地取材。同時,水還可以供宇航員們在火星上進行農作物生產,通過電離產生供他們呼吸的氧和可以作為飛船燃料的氫。

在火星上,能夠大量產生水的途徑有兩個。一個是通過分解水合礦物質,另一個則是開鑿火星上的冰層。從直覺上看,開鑿冰層似乎是一個更加容易且直接的選項。然而,火星上的冰層一般存在于寒冷的極區,這里的低溫將給宇航員的生存和登陸飛船的正常運作帶來更大的挑戰。極端的低溫也意味著開鑿冰層需要耗費較多的能量。此外,宇航員從火星極區起飛返回地球時,無法像在赤道那樣得到火星自轉的“助力”。因此,在低緯度地區尋找富含水合礦物質的地區著陸目前被認為是更加合理的選擇。




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