好奇號火星探測器是如何工作的？天文學家為您解惑
2023-04-02 00:25:44
除了「精神」和「機遇」:2012年8月，火星有了新的探測器它的六輪驅動、搖臂式轉向架懸掛系統和桅杆式攝像機可能與其前身相似，但僅與卡車和悍馬相似。我們談論的是一輛裝有火箭包的核動力、雷射驅動的巨型科學卡車——一筆25億美元的交易(稅收、產權、停車和運費)圖表
:這是美國宇航局最新的無畏火星探測器。好奇號大約有一輛小型越野車那麼大，裝備齊全，可以參觀火星上的蓋爾隕石坑。看火星著陸的照片
火星科學實驗室，也稱為好奇號，佔據了火星探測器陳列室的主要位置。它打破了美國宇航局在2003年創造的精神和機遇記錄。它長兩倍(約10英尺或3米)，重五倍(1982磅或899公斤)它是越野的，沒有輪轂可以鎖住(也沒有人可以鎖住它們)六個20英寸(51釐米)的鋁製輪子可以跨越近30英寸(75釐米)高的障礙物，每天可以在火星地形上移動660英尺(200米)。
女士們先生們，好奇號在2011年攜帶的工具比朗科的倉庫還多——從收集土壤和巖石粉末樣品的設備，到準備和分類它們的屏幕，到分析它們的機載儀器好奇號的雷射是一種可調諧光譜儀，用於識別有機(含碳)化合物和確定關鍵元素的同位素比率。最重要的是，其久經考驗的核能系統將確保你不會被困在沙塵暴中，該系統長期以來一直用於阿波羅任務中的衛星、宇宙飛船和月球設備。
是的，美國航天局為它重新設計了一個分離模型，將選定的小型科學設備壓縮到儘可能小的空間但是不要相信我們的話:問問噴氣推進實驗室的首席飛行系統工程師羅布·曼寧，他稱之為「我們做過的最複雜的事情」
美國宇航局不遺餘力地開發迄今為止最雄心勃勃的探測器與以前的火星模型相比，這臺機器將使用更大的實驗室儀器和傳感器進行更多的航空科學研究。如果你今天下訂單，美國宇航局將在12英裡(20公裡)內把它送到你家門口(有一些限制；門必須在2.5億英裡(4.02億公裡)以內你的探測器將比其他著陸更精確，覆蓋更崎嶇的地面。它將有最好的機會去發現火星上的水流歷史和古代可居住環境。是的，如果《汽車趨勢》雜誌對太空飛行器進行了分類，《好奇號》無疑將獲得「年度漫遊飛行器」
現在，你為什麼不拿著鑰匙試駕呢？
從設計到現實的圖表
:這是好奇號著陸的蓋爾隕石坑請注意，這張藝術概念圖在垂直方向上被誇大了，以使人們更好地了解該地區的地形
美國東部時間2011年11月26日上午10:02，經過多年的測試、開發和容錯建設，火星科學實驗室(MSL)或好奇號由阿特拉斯5號火箭從卡納維拉爾角空軍基地發射升空。它於美國東部時間2012年8月6日凌晨1:32成功著陸火星
在將好奇號安裝到外殼上之前，工程師們進行了一系列嚴格的測試來模擬內部故障和外部問題，包括離心機測試、跌落測試、拉力測試、驅動測試、負載測試、壓力測試和短路測試。
與此同時，美國宇航局必須決定新的漫遊者將探索哪裡，如何到達那裡，以及如何安全著陸——說起來容易做起來難。
地球和火星以不同的速度圍繞太陽旋轉——火星旋轉686.98個地球日，而地球旋轉365.26個地球日——這意味著它們的相對距離是非常不同的。用儘可能少的燃料到達火星意味著當它經過離我們最近的點時發射它。這不是一個小問題:火星離地球的最遠距離(2.493億英裡，即4.013億公裡)是離地球最近距離(3460萬英裡，即5570萬公裡)的7倍多
就像四分衛傳球。發射系統的目標不是火星在哪裡，而是當宇宙飛船到達時它會在哪裡。美國宇航局扔了球。250多天後，探測足球到達圓形和紅色接收器，並於2012年8月6日(東部夏令時)著陸
美國國家航空航天局沒有從地球表面「拋出」好奇號，而是從地球的軌道發射了它方法如下:當運載火箭從卡納維拉爾角到達太空時，它的前錐體或整流罩像翻蓋一樣打開。當火箭的第一級一起脫落時，第一級切斷並垂直落入大西洋第二級是半人馬座發動機，它啟動並把宇宙飛船送到停泊軌道。一切準備就緒後，火箭開始第二次燃燒，將宇宙飛船推向火星。
發射後大約44分鐘，好奇號從火箭上分離下來，開始與地球通信。在前進的過程中，它偶爾會按計劃調整自己的路線。
一旦它進入火星大氣層，樂趣就真正開始了。
蓋爾環形山
好奇號開始了探索蓋爾環形山的旅程，蓋爾環形山位於火星南部高地和北部低地之間颶風蓋爾直徑為96英裡(154公裡)，覆蓋面積相當於康乃狄克州和羅德島的總和。
噪音患者檢測器
說明:由於體積較大，好奇號無法進行氣囊輔助著陸因此，火星科學實驗室使用了如圖所示的天車著陸系統，該系統可以將更大的火星車送到火星表面。
火星有一座3英裡(5公裡)高的沉積山，比西雅圖的雷尼爾山塔還要高。這些地層由礦物和土壤層組成——包括粘土和硫酸鹽，它們指向水的歷史——這將提供火星地質歷史的有價值的地圖。
在過去，水流入蓋爾的低地並聚集在那裡，這使得它可能成為溪流、池塘和湖泊遺蹟的寶庫。因此，這是一個尋找火星過去可居住性證據的理想地方。
，就像沃爾特·惠特曼的「無聲的、耐心的蜘蛛」，好奇號將很快被隔離在海角上，發回數據，它的任務控制器將決定「如何探索這個廣闊而空曠的環境」然而，它與蜘蛛有更多的相似之處。它細長而有關節的腿像蜘蛛一樣延伸到火星表面。
然而，在我們闡明這一點之前，讓我們先來看看當我們第一次到達火星時，在火箭的幫助下宇宙飛船的跳躍。
當搭載好奇號的宇宙飛船在離地面78英裡(125公裡)的火星大氣中搖擺時，它通過一系列類似太空梭的S形曲線運行和剎車。著陸前幾分鐘，飛船從離地面約7英裡(11公裡)的地方彈出一個降落傘，以減緩其900英裡/小時(1448公裡/小時)的下降速度。隔熱罩隨後從圓錐體底部彈出，為好奇號創造了一個出口。
月球車的上層像龜殼一樣被夾在後面，與圓錐體完全分離。過了一會兒，安裝在火箭邊緣的剎車火箭爆炸了，將火箭和探測器固定在離地面66英尺(20米)的地方。從這裡開始，上面的舞臺就像天空中的一隻鶴，像蜘蛛絲上的蜘蛛一樣降低好奇心。探測器安全著陸後，電纜被切斷，好奇號開始了它的旅程。在
著陸前不久，火星下降成像儀捕捉到了著陸區的高清彩色視頻。該視頻有助於著陸，並為研究人員和任務專家提供了探索區域的鳥瞰圖。另一組儀器，火星科學實驗室入口、下降和著陸儀器包，將測量大氣條件和太空飛行器性能美國宇航局將利用這些數據來規劃和設計未來的任務。
新著陸系統比以前的任何系統都複雜，但它也能被更精確地控制，這使任務規劃者能夠瞄準蓋爾環形山的長期目標對於勇氣號和機遇號來說，不可能在好奇號12英裡(20公裡)的目標區域著陸。使用他們的太空時代泡沫墊來反彈需要五倍的好奇心。這一成功開闢了一系列理想的地點，包括陡峭的環形山，這些環形山以前由於複雜的地形而被禁止進入。
好奇號也將為未來的任務打下基礎，就像以前的火星之旅使探索新的探測器成為可能一樣。此類任務可能包括挖掘巖石並將其送往地球，或者進行更深遠的地表勘測，以尋找火星微生物生命及其關鍵化學成分的證據
現在我們已經安全可靠地著陸了，讓我們看看火星科學實驗室的標準設備。
非標準設備
插圖:看看好奇的人裝載的所有設備
。無論是為兩周假期做準備，還是在數百萬英裡之外充滿敵意的沙漠中進行科學考察，基本問題都是一樣的:
帶來了什麼，帶來了什麼...
與地面遊客不同，他們可以跑到街角的商店去更換被遺忘的牙刷。好奇心完全取決於他們自己沒有維護人員在待命，後備箱裡沒有備用零件，來自地球的每一個信號都需要大約14分鐘(直到2012年8月)才能到達，你所能做的就是自力更生。然而，好奇號不會去火星觀光它的任務是收集巖石和土壤樣本，並將它們放入空中儀器進行分析。考慮到這一點，月球車配備了一個7英尺(2.1米)高的攝像杆和一個7英尺3關節機械臂，其附件比工業真空吸塵器多。樣品收集/樣品製備和處理系統將收集、去除灰塵、鑽孔、粉末、收集、分類和篩選樣品，並將樣品轉移到各種分析資產
。小型氣相色譜儀和質譜儀將分離和分析樣品中的化合物。
可調諧雷射光譜儀將尋找有機(含碳)化合物，並確定關鍵同位素的比例——這兩者對於揭示火星過去的大氣和水環境都至關重要。
Chemin是一種X射線衍射和螢光儀器，將測量樣品的整體成分並檢測其組成礦物
。位於探測臂上的火星手透鏡成像儀將拍攝非常接近的巖石、土壤和冰(如果有的話)的照片這款超級相機可以捕捉比頭髮還細的細節，或者聚焦在手臂以外的物體上
火星科學實驗室的α粒子x射線光譜儀也位於手臂上，它將計算火星巖石和土壤中各種元素的相對含量
好奇號的頸部或桅杆也裝飾在儀器上:
火星科學實驗室桅杆照相機(MSLMC)安裝在人眼的高度，這將有助於探測器導航並以高解析度立體和彩色靜止圖像或高清視頻記錄周圍環境。攝像機可以查看由車輛臂收集或處理的材料。
。立體安全攝像機位於桅杆下，有助於探測器的導航。
是另一種桅杆式儀器Chemcam，它將使用雷射脈衝蒸發30英尺(9米)外的薄層物質，然後用分光計進行分析。它的望遠鏡可以捕捉光束目標區域的圖像。
除了這些樣品分析儀器外，探測器還配備了科學儀器來檢查當地情況，這可能與未來人類的任務或了解地球維持生命的能力有關:
。放射性評估探測器將監測表面的輻射水平。
探測器環境監測站將讀取大氣壓力、溫度、溼度、風力和紫外線輻射水平
中子動態反照率儀可以探測到地球表面以下3英尺(1米)處的氫——這是礦物中潛在冰或水的指示器。
這是一個令人印象深刻的豪華約會，但它不會給美國宇航局帶來任何好處，除非好奇號把它藏在引擎蓋下。讓我們看看這隻小狗有什麼力量。
運輸空間
「科學怪物卡車」不是一輛燃燒氮氣和噴火的滑稽汽車，也不是一輛普通的老式內燃機車它也沒有展示為其前身發電的太陽能電池板。不，美國宇航局在這次任務中使用了核能。好奇號從氧化鈽獲得能量當放射性同位素衰變時，它釋放熱量，探測器用熱電偶將熱量轉換成電能。這種多任務放射性同位素熱電發生器(MMRTG)將使探測器的電池保持110瓦的電量。
這個系統的功率比太陽能電池大，而且沒有可拆卸的活動部件，但是這個發電機能比舊的砷化鎵電池性能更好嗎？畢竟，「勇氣號」一直工作到2010年春天，而「強機遇號」仍在轉動它的裡程表，它的裡程表達到了每天21英裡(34公裡)和328英尺(100米，大約相當於一個美國足球場的長度)。這些非凡的車輛遠遠超過90天任務的部分原因是免費的和可再生的太陽能。
好吧，先不要使用核能。放射性同位素系統的14年壽命可能比探測器本身的壽命更長，而且它永遠不會成為火星天氣、塵埃或冬天變幻莫測的犧牲品。
此外，額外的力量值得衡量:好奇號將覆蓋比以前的好奇號更多的地面，速度大約是以前的兩倍。在火星上的一年內(大約687個地球日)，它將在蓋爾環形山飛行12英裡(19公裡)，攜帶的科學有效載荷是勇氣號或機遇號的10-15倍電力將保持可用，好奇號將利用多餘的熱量來維持重要儀器的溫度。
有助於好奇號有效利用這一馬力。它是老式月球車的改進型搖臂式轉向架底盤(見側欄)，由連接到六個鋁車輪上的鈦管組成。這些鋁製車輪非常薄，可以像橡膠一樣彎曲。所有四個角輪可以旋轉90度，使探測器能夠原地旋轉。工程師們在一定程度上改進了好奇號的懸掛系統，以適應其作為起落架的新角色，並成為一種能夠穿越更崎嶇地形的重型車輛。著陸後不久，底盤將把漫遊者帶到它的第一個目的地:一個綽號為「柵欄」的光禿禿的巖石。美國宇航局瞄準了這塊巖石，因為之前的火星觀測表明，這塊巖石含有含水沉積物——水中形成的礦物質。從那裡，「好奇號」將冒險進入峽谷、多巖石的山坡和丘陵地區，讓人想起亞利桑那州的塞多納紅巖，它們也是在水環境中形成的。那時，它的第一個火星年已經過去了
從那裡，探測器將穿透更多的巖石和更崎嶇的地形。探索這個區域需要幾年的時間，但是一旦相機通過探測器，它將被視為好奇號所走道路的全景。
在此過程中，火星科學實驗室將調查火星上是否存在微生物生命，以及微生物生命的線索是否保存在火星的巖石和土壤中。
搖臂轉向架
好奇號的懸掛系統與之前的火星漫遊者「精神與機遇」相同該系統既不使用軸也不使用彈簧，因為每個車輪可以獨立地上下移動，所以它可以保持穩定。由於火星的引力和巧妙的地球工程，月球車被動地將所有六個輪子保持在地面上，並持續承受負載，即使在清除接近30英寸(75釐米)的障礙物時也是如此這種力的平衡提供了至關重要的牽引力，尤其是在軟沙環境中。柔性懸架還可以「吸收」一些傾角，使月球車更加平衡。
參考
1。維基百科全書
2。天文名詞
FY:
作者:NICHOLAS GERBIS
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