BI中文站 11月24日报道

在“网络星期一”(Cyber Monday),当购物者们在网上寻找各自心仪商品的时候,美国宇航局(NASA)将尝试六年来首次让机器人登陆火星。执行这项耗资约8.3亿美元任务的探测器名为“洞察号”(InSight),它是“利用地震调查、大地测量和热传输进行内部勘探”的缩写。

图1:美国宇航局火星探测器InSight登陆火星渲染图

美国宇航局于5月5日向火星发射了“洞察号”探测器。这个登陆器重约358公斤,预计将于美国东部时间11月26日(周一)下午3点左右完成一次冒险登陆,这个过程包括被称为“恐怖7分钟”的部分。

如果一切顺利,这个高尔夫车大小的登陆器将是自2012年8月美国宇航局“好奇号”(Curiosity)核动力探测器登陆火星以来,第一个登陆火星的机器人。科学家们希望,“洞察号”为期两年的探测任务将以他们此前一直梦想的方式进行。

美国宇航局前首席技术专家罗伯特·布劳恩(Robert Braun)表示:“我们过去的所有任务都是地面任务,洞察号则截然不同,因为它是通过研究火星内部来窥探过去的。通过这样做,我们将了解火星,也有助于了解地球的早期历史。”

然而,首先,“洞察号”探测器必须能安全地着陆在火星表面。

“洞察号”如何在“恐怖7分钟”中幸存下来

图2:美国宇航局火星“洞察号”机器人探测器降落到火星表面过程中,需要经历“恐怖7分钟”

到达火星相对比较容易,这是因为现代火箭比以往任何时候都更加安全、可靠。事实上,自2002年首次发射以来,向火星发射“洞察号”探测器的运载火箭——由联合发射联盟公司(United Launch Alliance)制造的Atlas V火箭,只出现过一次小故障。

然而,在这颗红色星球上着陆是航天工程师所面临的最具挑战性的任务之一。大约三分之一被派往那里执行任务的机器人都没能成功着陆。

美国宇航局喷气推进实验室的总工程师罗布·曼宁(Rob Manning)称:“虽然我们以前成功过,但在火星着陆非常困难,这次任务也同样如此。从大气层顶部降落到地面需要数千个步骤,每个步骤都必须完美地发挥作用。”

火星大气的厚度约为地球的1%,但其仍然有足够的空气摧毁像“洞察号”这样的航天器。当它到达这颗红色行星时,将以超过2万英里的时速移动。美国宇航局试图利用火星大气层的优势,将其机器人放入装有隔热罩的进入舱中。这有助于降低航天器的速度,同时保护其不受1400摄氏度高温(足以熔化钢铁)的影响。

图3:美国宇航局火星“洞察号”机器人探测器着陆任务渲染图

然而,曼宁说,如果探测器不能以完美的角度(大约12度)进入大气层,任务就会被提前结束。错过这个角度,进入舱就会“跳过”大气层进入太空深处,或者被蒸发掉。

当进入舱脱离母船并下降的阶段,有时被称为“恐怖7分钟”。这是因为美国宇航局在大约七分钟内无法“听到”航天器的声音,也无法知道着陆是否成功,直到收到其发出的无线电信号。

不过,美国宇航局这次正在尝试新方法:它发射了两颗名为MarsCubeOne、公文包大小的卫星。这两个立方体卫星在前往火星途中都在跟踪探测器,它们将帮助把着陆数据传回地球。

“洞察号”探测任务的有效载荷经理汤姆·霍夫曼(Tom Hoffman)在10月份的新闻发布会上说:“这些卫星将把这些信息传回地球,这样我们就知道进入火星大气、下降和着陆过程的每一步都发生了什么。”

图4:工程师正在测试美国宇航局MarsCubeOne卫星的太阳能电池阵列

一旦“洞察号”探测器穿过火星大气层而没有烧毁,它的进入舱就会展开一个巨大的超音速降落伞,几秒钟后就会丢弃隔热罩。

不过,“洞察号”的危险之旅还没有结束。这个机器人仍然需要部署三条着陆腿,并使用雷达计算它离地面的距离,美国宇航局无法实时远程控制这个机器人,因为即使是光((或无线电信号))也需要大约15分钟才能往返火星。

在离火星表面大约1600的地方,“洞察号”将从保护舱里掉出来,启动它的后置火箭引擎,并试图在不坠毁或翻倒的情况下着陆。

“洞察号”如何探索火星和地球的古老秘密

图5:这幅剖面图展示了科学家们认为的火星内部情景

“洞察号”探测器将试图在被称为埃律西姆平原(Elysium Planitia)的区域着陆,这是个靠近火星赤道、相对平坦的地方。如果机器人安全着陆并展开它的两个圆形太阳能电池板,美国宇航局将认真开始探测火星任务。

与“洞察号”的前任——凤凰号火星着陆器(Phoenix Mars Lander)一样,该探测器不会移动地点。但与凤凰号不同的是,“洞察号”希望能在火星上持续两年,对这颗46亿年前的行星进行首次“检查”。凤凰号2008年曾在火星土壤中挖了几个月的水。

美国宇航局在其任务网站上说:“洞察号的目标是研究火星内部,获取火星的关键体征、脉搏和温度。要深入到火星深处,着陆器必须在一个能在整个任务中保持静止的地方。这就是为什么科学家选择埃律西姆平原作为洞察号临时家园的原因。”

图6:美国宇航局计划在火星赤道附近的埃律西姆平原着陆它的机器人探测器

当“洞察号”探测器被启动并与地球通信时,它的首要任务之一就是展开机械臂。“洞察号”将使用这个机器人附件在火星表面放置一个圆顶。这个穹顶将包含六个非常敏感的振动检测设备,它们被称为地震仪。

地球和月球上的地震仪(阿波罗号宇航员在月球表面部署的仪器)记录了地震和月震,这帮助科学家发现了这些岩石世界的内部结构。在火星上,美国宇航局的研究人员希望完成类似的壮举。

每当陨石撞击火星,或发生滑坡、岩浆突然移动、构造运动,“洞察号”的地震仪就会探测到这种振动。这些设备甚至可以记录整个行星的地震活动。随着时间的推移,有关火星的数据可能会揭示出迄今为止关于其内部结构的未知信息。

不过,“洞察号”探测器将尝试的最具挑战性的任务之一,即在火星进行热钻探。这个探测器会慢慢钻下地面,不时停下来加热。然后传感器会检测到热量消散需要多长时间。

图7:美国宇航局“洞察号”探测器着陆渲染图

“洞察号”探测器预计将钻探近5米深,这远比以往任何一次火星探测任务钻探都要深。任务次席研究员苏珊娜·斯姆雷卡尔(Suzanne Smrekar)在新闻发布会上说:“当我们到达那么深的地方时,我们将摆脱地表温度变化的影响,这能让我们了解来自火星内部的热量,它可以驱动地质活动。”

回到火星表面,“洞察号”还将进行敏感的射电科学实验,观察火星在围绕太阳运转了两个地球年的轨道上是如何微妙移动的。这样的数据应该能告诉研究人员,在火星核心最深处发生了什么。

图8:执行火星“洞察号”任务的首席科学家布鲁斯·巴纳特(Bruce Banerdt)在新闻发布会上发言

“洞察号”任务的最终目标是找出火星是如何形成的,以及从那以后火星发生了什么。科学家们知道,火星曾经产生过能保护大气层的磁力发电机,就像今天的地球一样。但火星核心的发电机最终关闭了,这颗行星的保护层也随之消失,这使得太阳吹走了火星的大气层和海洋。

在探索这段历史的过程中,科学家们认为肯定有助于我们了解地球的起源。霍夫曼说:“地球是个巨大的行星,拥有大量的热量、能量。从地质学角度来看,它在整个历史上都非常活跃。因此,形成地球的早期过程的大部分记录都被抹去了。我们希望有个稍微平静一点儿的星球,能够保留那些证据。”

火星与地球相似,但在时间上几乎始终处于冻结状态,因此它是寻找这些证据的最佳地点。 (编译/金鹿)

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