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去火星上“科考”,在哪着陆很重要

2018-11-29 09:16来源:科技日报

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  NASA

  11月26日,“洞察”号火星探测器成功在火星埃律西昂平原着陆,开始了对火星内部结构和现象的探测。“洞察”号着陆的埃律西昂平原是一片火星赤道附近的巨大的火山平原,距离“好奇”号火星车着陆的盖尔撞击坑仅约600公里。

  而就在数天前,美国国家航空航天局(NASA)还公布了下一代火星车“火星2020”号的计划着陆地点。杰泽罗撞击坑从三个备选着陆点中脱颖而出,成为了“火星2020”号火星车的目的地。

  虽然火星的个头相对地球要小,但在其约一亿四千万平方公里的表面上为价值连城的火星探测器选定一个合适的着陆点仍然不是一件容易的事,需要工程师与科学家相互配合共同完成。

  工程约束是首要考虑

  和地球一样,火星表面有各种地形地貌,既有一望无际的平原,又有深达6000米的峡谷和落差达27000米的太阳系第一高山。对于地球上的汽车驾驶员来说,在平坦的地面上停车显然要比把车停在斜坡上更为容易,因为既不用担心汽车溜坡,也不用在起步时实施相对复杂的坡起流程。对于火星车来说,在相对平坦的地形上着陆同样是风险更小、成功率更高的选择。火星的地形存在明显的南北差异。南半球遍布着高低起伏的山脉与峡谷,及大大小小的陨石坑,北半球的地形则相对比较平坦。因此,除了具备特殊探测使命的探测器外,绝大多数的火星着陆探测器都降落在北半球及赤道附近。

  探测器在着陆时,一般都需要通过与大气相互作用来减速,在着陆的最后阶段才使用自身发动机提供的动力实现软着陆。火星的大气相对稀薄,如果着陆点的地理高程(与地球上的海拔概念类似)过高,那么探测器还没有被大气充分减速时就已经与火星表面接触。因此,一般都要选择高程较低的区域作为着陆点。

  长时间在火星工作的探测器要借助太阳能电池来产生电力。同时,用来导航和检测障碍的光敏感器也需要较好的光照条件。火星的高纬地区无法获得充足的光照,因此火星探测器大都会选择在纬度小于30度的区域着陆。低纬度地区良好的光照条件也带来了比较温和的昼夜温差,不会像高纬度地区那样出现极端的昼夜温差和夜间低温,从而使探测器更容易维持自身的热平衡。

  如果探测器不慎降落在一片充满岩石的区域,将会给探测器的工作带来很大的麻烦。岩石会破坏探测器的着陆缓冲机构,阻碍减速发动机的正常工作。同时,对于火星车来说,遍布的岩石还会对它们的移动带来阻碍。因此,一般要选择岩石较为稀少的地方作为着陆点。

  除了在火星上着陆的探测器外,还有MRO、MAVEN等探测器以围绕火星飞行的方式为我们带来火星的全球信息。利用这些轨道器的探测数据,科学家和工程师们可以对火星各个区域是否符合以上硬性约束做出判断,给出可能的着陆点选项。

  科学目标帮助甄选地点

  近期火星探测的科学目标以寻找火星上现在或曾经存在生命的证据为主。通过以往的研究,科学家们已经认识到,如果火星上的某片区域曾经是海底、湖盆、河床或者河流冲积形成的三角洲,那么这一区域很可能曾经存在能够孕育生命的环境。围绕火星飞行的探测器除了能够发回最直观的火星表面照片外,还能利用搭载的多波段光谱仪和测高仪等仪器,带来火星全球的表面地形地貌、岩石成分等更丰富的信息。科学家们可以根据每艘着陆探测器的具体科学目标,利用火星的全球数据选取一些潜在可用的着陆点。之后,通过不断的加密探测和比较讨论,缩小着陆点候选范围,并确定实际使用的着陆点。

  以“好奇”号火星车为例,这艘火星车最初计划于2009年发射,为其选取着陆点的工作在2006年就开始了。NASA向“火星探测项目分析组”的成员发出了征集着陆点的通知,各个研究机构的科学家们开始进行选点工作。很快,科学家们提交了33个可选的着陆点方案。NASA据此调整了环绕火星探测器的探测计划,以进一步获得这33个可选着陆点更细致的遥感观测信息。

  一年后,科学家们再次召开研讨会,利用已经获得的数据对着陆点进行了遴选。遴选主要考察四个方面的因素:获取地质学特征的能力、适宜生命存在的证据、生物特征的存在以及评估该地点孕育生命潜力的能力。在经过3天的讨论后,着陆点的候选者被降低到6个。

  有趣的是,“好奇”号实际使用的盖尔撞击坑着陆点,在此轮PK中就已经出局了。然而,2008年,MRO探测器上搭载的CRISM光谱仪带来了新的岩石成分探测数据。这些数据的分析表明,盖尔撞击坑中存在大量只能在富含水的环境中形成的矿物,意味着这里曾经存在着湖泊。此外,该处的地貌特征也表明此处曾经频繁地被洪水冲刷过。

  这些新情况引起了科学家们的极大兴趣,并将盖尔撞击坑重新列为备选登陆点。此时,“好奇”号任务由于其他原因被推迟到了2011年,科学家们获得了更长的时间来对着陆点进行更为充分的评估。

  2010年,在召开了最后一次研讨会后,科学家们仍然没有对着陆点的选取达成一致。因此,包括盖尔撞击坑在内的四个候选点的优势、劣势和科学家的建议被总结在一份仅有4页的文件中提交给NASA总部,由NASA官员做出最后的决定。从成功着陆至今,“好奇”号已经带来了大量的新科学发现,今年6月还发现了有机物分子存在的证据,从而说明选取盖尔撞击坑作为着陆点是相当成功的。

  载人登陆有更多要求

  目前,对载人登陆火星的着陆点研究也在进行当中。和探测器一样,载人任务也需要在一片较为平整的地形上实现软着陆。其地理高程较低、地势平坦无大量岩石等要求与无人探测的着陆点要求一致。此外,载人登陆火星还要考虑更多因素。

  由于从地球前往火星的运载成本巨大,因此在当前的技术条件下宇航员们很难携带大量的水前往火星,他们日常生存所需要的水必须在火星上就地取材。同时,水还可以供宇航员们在火星上进行农作物生产,通过电离产生供他们呼吸的氧和可以作为飞船燃料的氢。

  在火星上,能够大量产生水的途径有两个。一个是通过分解水合矿物质,另一个则是开凿火星上的冰层。从直觉上看,开凿冰层似乎是一个更加容易且直接的选项。然而,火星上的冰层一般存在于寒冷的极区,这里的低温将给宇航员的生存和登陆飞船的正常运作带来更大的挑战。极端的低温也意味着开凿冰层需要耗费较多的能量。此外,宇航员从火星极区起飞返回地球时,无法像在赤道那样得到火星自转的“助力”。因此,在低纬度地区寻找富含水合矿物质的地区着陆目前被认为是更加合理的选择。(李会超)

[责编:毕孝斌]

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