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中科院解密美国火星计划

 
 

编者按:

作为人类最先进的火星探测科学研究计划,NASA的“火星2020”任务将开启一个全新的时代,新的火星车将携带地球上全新的、最尖端的7种武器探测火星的环境、气候、地质以及生物学的潜在价值,为2030年前将人类送上火星铺平道路。在浩瀚的宇宙中,人类最终会拥有地外的第二生存空间吗?

 

王琴、徐琳(中国科学院月球与深空探测总体部)

 

今年12月8日,美国航空航天局(NASA)表示,“好奇”号火星车已成功破解火星夏普山的形成之谜。这是继“好奇号” 取得发现火星湖泊遗迹、显示火星大气以二氧化碳为主等科学探测成果之后的又一重要成果。

 

2012年8月,“好奇号”成功降落在火星表面,开启其火星探测之旅。两年多时间里,“好奇号”不断传来科学探测“捷报”,人类在火星知识得以不断丰富的同时,也在密切关注美国进一步的火星探测计划。

 

其实,早在2011年NASA公布的《美国2013~2020行星探测十年规划》中,就提出了未来十年火星探测的“新任务”——火星采样返回。今年7月31日,NASA在“好奇号”火星探测器成功着陆以及科学探测上不断获得新进展的基础上,又依据该10年规划,公布了新一代火星探测器——“火星2020”搭载的科学有效载荷。

 

“火星2020”正是火星采样返回任务的开路先锋,它是否将开启人类火星探测的新模式,人类未来载人登陆火星是否因此初现曙光,人们无不期待谜底的揭晓。

 

未来10年锁定采样返回

 

“火星2020”是NASA火星探索计划的一部分,这一计划也包括了正在火星表面工作的“机遇号”和“好奇号”火星车,火星轨道上运行的“奥德赛号”、“火星勘测轨道器”,以及今年9月下旬刚刚抵达火星的“火星大气及挥发物演化探测器”。

 

NASA表示,与以往的火星探测任务不同,“火星2020”任务中新一代火星车将搭载的7台科学载荷,对火星进行原位探测,开展地质评估、分析火星远古生命的迹象及其环境潜在的宜居性。与此同时,它还将收集岩石样品,并将样品用密封罐储存起来,放置于火星表面,以便被未来任务的航天器带回地球。

 

《美国2013~2020行星探测十年规划》指出,未来10年的重点将是火星采样返回任务,首先是巡视任务并收集和储存样品,然后提取样品并返回地球。火星科学界普遍接受的观点是,使用先进的分析技术来深入分析返回的火星样品,以高的回报率获得有关火星系统的科学成果。

图1 美国火星采样返回三步走示意图

 

任务大致分3步来完成(图1)。第一步由“火星2020”来完成,将发射一个火星车来收集和储藏样品,并放置于火星表面;第二步由未来发射的第二个火星探测器来完成,主要是提取第一个火星车放置于火星表面的样品,并将样品送入火星轨道;第三步将发射一个火星探测器用来“抓取”位于火星轨道上的样品,并将样品带回地球。预计每次任务的间隔时间为4年。

 

“火星2020”将利用现有“好奇号”平台进行升级改进,打造全新的火星车(图2)。采用“火星科学实验室(Mars Science Laboratory)”中“好奇号”火星车已获得实践检验的着陆系统和火星车经典架构,以确保将任务的成本和风险降到最低;在着陆前的最后几秒钟,将使用“太空起重机”实现成功着陆。

 

“火星2020”探测任务将耗资19亿美元,预计2020年7~9月择机发射,工作寿命约为一个火星年(687个地球日),7台更加轻量化的科学载荷研发成本约为1.3亿美元,总重量为40千克。

图2 “火星2020”火星车的结构示意图

 

寻找生命、采集样本

 

“火星2020”将继续以探寻火星表面过去乃至现在可能存在的生命信息,获取风化层、土壤、岩石、浅层结构等综合性的火星地质特性信息,并开展原位探测和岩石/土壤样本采集返回。

 

据此,“火星2020”计划确定了两大主任务:一是探测火星表面环境中潜在的宜居性和曾经可能存在的生命痕迹;二是收集和存储火星的岩石和土壤样本,并对其物理与化学等背景信息进行原位探测。

 

“火星2020”计划提供了一个独特的视角,可以“窥探”太阳系中可能的宜居性。科学家也试图在火星上进行一系列技术验证,更加深入地了解火星尘埃和天气对人类未来登陆火星可能造成的影响,以寻找能够避免火星有害尘埃的方法;同时,也将研究能否利用火星上的资源制造出氧气和火箭燃料,为未来人类登陆火星创造条件。如果真的能够实现在火星上实时制造氧气,这将加快人类登陆火星的步伐。

 

“火星2020”的任务规划是建立在其它火星任务取得的成就基础上而设计的一次任务。“机遇号”和“勇气号”以及其它的火星探测器已经发现的证据显示,火星曾经存在水,而“好奇号”的进一步探测又获取了火星过去的环境能够支持微生物存在的一些证据。“火星2020”将在“好奇号”最新成果的基础上,开展难度更大的、新的探索任务,进一步探索其宜居环境以及寻找过去生命存在的信息。

 

按照计划,“火星2020”的后续任务将把岩心和土壤样品带回地球,继而展开实验室工作。通过样品分析,才可以获取火星是否曾在过生命等重大科学问题的更加精准而明确的答案。

 

火星“实验室”的7种武器

 

“火星 2020”将搭载目前世界上最为先进的从58份载荷方案中遴选出来的7台(套)探测仪器,如同组建了一个全新的火星“实验室”,以获取火星地质、大气、环境和潜在的生命等信息。

图3 “火星2020”火星车上搭载的有效载荷

 

第一台探测仪器是桅杆相机-Z(MastCam-Z)。它是“火星2020”火星车上主要的成像工具(图4、图5),安装在火星车上方的桅杆上,拥有全景和立体成像功能,这是首次在火星车上使用具有变焦缩放功能的彩色立体相机,其主要科学探测任务包括:研究火星表面的地貌、岩石和土壤;观测火星表面上发生的天气现象;为巡视器导航和采样提供支持。

 

相比之前“好奇号”的桅杆相机,桅杆相机-Z具有新的功能特性——携带变焦镜头(图6),能够摄制三维影片。更重要的是,可变焦的相机能使火星车看得更远并且可提前发现可能存在的危险情况,从而帮助分析火星表面的物质和规划火星车的行驶路线。

图4 “火星2020”搭载的桅杆相机-Z的CAD设计图

 

图5 桅杆相机-Z的横截面

 

图6 桅杆相机-Z的变焦设计

 

第二台探测仪器是超级相机(SuperCam)。它具有成像、化学组成分析和矿物学分析等功能,特别是还能远距离(20多英尺外)检测岩石和风化层是否存在有机物,以及利用激光的冲击波清除岩石表面的灰尘(图7)。其新增的激光拉曼和时间分辨荧光光谱,具有彩色的高分辨率的可见光成像能力,光谱范围覆盖了可见光和红外光。

图7 “火星2020”搭载的超级相机工作示意图

 

第三台探测仪器是X射线岩石化学行星仪(PIXL,Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry)。它安装在火星车的机械臂的末端,方便探测周围的岩石或土壤。PIXL由X射线荧光光谱仪和高分辨率成像仪构成,用于精细测定火星表面物质的元素组成(图8、图9),这将为寻找和获取火星曾经可能存在生命的证据提供坚强的技术支撑。

图8 “火星2020”搭载的X射线岩石化学行星仪

 

图9 PIXL为岩石绘制出每个元素的X射线荧光光谱,地质学家能清楚知道岩石样本中的矿物成份。微生物生存需要一定环境,这些矿物成份会让我们更容易找到过去生命的迹象。

 

第四台仪器是拉曼和荧光光谱仪(SHERLOC,Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics and Chemicals)。扫描宜居环境中有机化合物的SHERLOC安装在机械臂上,由两台不同类型的紫外光谱仪和一台多功能相机组成,具备两种功能:一是高灵敏度的探测碳分子,二是精细测定矿物颗粒的大小,用于寻找火星存在生命的迹象和选择采取未来返回地球的火星岩石/土壤样本。SHERLOC将是第一台火星表面的紫外拉曼光谱仪,将为火星车上携带的其他设备提供互补测量(图10)。

图10 “火星2020”搭载的扫描宜居环境中有机化合物的拉曼和荧光光谱仪

 

第五台探测仪器是火星氧气就地资源利用实验室(MOXIE:the Mars Oxygen ISRU Experiment)。MOXIE将首次尝试型地利用火星上的天然资源制取氧气(图11)。该技术一旦试验成功,将有可能实现利用火星大气生产火箭燃料、空气、水等其他资源,为今后的载人火星任务提供强有力的技术支撑和铺平道路,并可能彻底改变未来人类探测火星的模式。

 

正如该团队所说,当我们将人类送上火星,当然希望他们能够安全返回,因此,需要一个能够离开火星的火箭,这将是将宇航员送到火星并返回的最大一笔预算。如果可以在火星上制取氧气,就可以削减这部分开支,从而在竞争中领先。

 

可以设想的是,人类登陆火星并返回的长期计划是:首先发射一个小型核反应堆和放大版的MOXIE设备到红色星球上。在运行数年后,其氧气罐中将准备好宇航员所需氧气;一旦人类到达火星,就可以获得这些现成的电能、燃料和任务所需的基础设施。在火星表面制取氧气将为许多问题提供最简洁的解决方案,降低了发送液氧到火星的难度,并削减了经费;人类还从未在火星上建造并运行过一个工厂,而实现这一目标,首先需要先研发一个简单的原型机并运行,以解决可能会面对的问题。

图11 “火星2020”任务搭载的火星氧气原地资源利用实验室

 

第六种探测仪器是火星环境动力学分析仪(MEDA:Mars Environmental Dynamics Analyzer)。由西班牙负责研制的MEDA的主要任务是昼夜测量火星表面尘埃的季节性的周期变化(大小、形状、分布、相位等,图12)。MEDA实际上也是一个火星气象站,由不同的传感器组成,将分别测量和记录火星表面气压、大气和土壤的温度、相湿度、风速及风向、紫外线、可见光和红外辐射等。未来将可以把这些信息及时发送至个人,能避免自己的装备沾染上一些潜在的致命尘埃。

 

图12 “火星2020”搭载的火星环境动力学分析仪,圆圈处是安装传感器位置。

 

最后一种探测仪器是火星次表层实验雷达成像仪(RIMFAX:The Radar Imager for Mars’ Subsurface Experiment)。由挪威负责研制的RIMFAX是一台穿地雷达,随着火星车前进,能够扫描到地表下530米深度的结构特性(图13),分辨率达到厘米级。结合火星快车搭载的次表层探测雷达/高度仪(Sub-Surface Sounding Radar Altimeter,MARSIS)和火星勘测轨道器搭载的浅层雷达(Shallow Subsurface Radar,SHARAD),不但可获得区域性的火星浅层地质结构特性,而且可获得全球性的火星浅层地质结构,这为火星土壤、壳的形成与演化等的研究提供了难得的机会。

 

RIMFAX将有助于“火星2020”任务探测环境的潜在宜居性,并选择一组最有价值的岩石(或土壤)作为未来返回地球的样品。

图13 “火星2020”任务搭载的火星次表层实验雷达成像仪,能穿透地面,探测到地下厘米级的地质构造。

 

除科学载荷外,采样及样品存储也是火星采样返回任务需要解决的重要问题。“火星2020”任务探测器的采样及样品存储设备(图14),由旋转撞击式岩心钻机、旋转钻头、存储装置、机械臂、岩石研磨和擦拭钻头组成,这一系统还包括筛选分析钻头(先对岩心进行预分析,然后再存储)、获取粉末和土壤的钻头。该设备针对每个岩心取样都配有专用钻头,总质量为32千克。据悉,样品存储设备可密封保存31份样品,保存时间至少20年。

图14 “火星2020”任务中用于储存火星岩石和土壤样本的设备。岩心样品被采集后,会被封装于样品管中,然后再将样品管放入储存器中。储存器中每一个蜂窝状的储存空间直径约1cm,深度约6cm,总共可以存放31个样品管。

 

“火星2020”任务的漫游车将有助于解答宇航员将会面临的关于火星环境的问题,在人类着陆、探索和离开这颗红色星球返航地球之前,率先验证他们所需的技术,为2030年载人登陆火星铺平道路。

 

NASA总部载人探索及任务运行部副主管威廉•格斯登迈尔(William Gerstenmaier)表示,“火星拥有维系生命所需的资源,这将减少载人火星任务必须携带的补给物资数量。更好地理解火星的尘埃和气候,将为规划载人火星任务提供宝贵的数据。研制提取这些资源的方法,了解火星上的环境,也将帮助火星上的先驱者们更好地安定下来。”

 

火星探测步入10年黄金期

 

“火星2020” 计划中的火星车,拥有许多前沿的科研成果,通过进一步的探索,将会进一步揭开火星的神秘面纱,促进人类寻找宇宙中的生命,并为探测技术带来更多的发展机遇。

 

“我们又迈开了人类火星之旅的关键一步”,NASA官员Charles Bolden表示:“‘好奇号’是一座里程碑,它标志着人类对探索火星等地外行星的不懈努力。探索火星将是这一代人的宝贵财富,‘火星2020’计划将为人类探索火星迈出更为至关重要的另一步”。

 

2016年,NASA还将发射“洞悉号(InSight)”火星探测器。该探测器将探寻火星的内部构造特性,对火星的地质活动、地震、摆动和内部温度等进行测量,收集有关火星演化的数据,以便与地球的地质演化历史进行对比。

 

NASA的火星计划旨在寻求以动力学方法更好地研究火星,当然也包括过去和现在的环境、气候、地质以及生物学的潜在价值。与此同时,NASA也正在开展人类登陆火星并重返地球的相关领域的研究。美国希望能够在本世纪30年代将人类送上火星,“火星2020”的样本采集和往返任务便旨在为载人火星任务铺平道路。

 

除美国外,欧空局(ESA)的“地外火星计划(ExoMars)”也将于2016年发射一个火星轨道探测器,该探测器由“微量气体轨道器”和“进入、降落和着陆演示模块(Descent and Landing Demonstrator Module,EDM)”组成,主要目的是寻找甲烷和其他微量气体,以及为ESA后续火星探测验证关键技术。此外,ESA将于2018年再次发射一个火星探测器和火星车,拟对火星的大气和表面进行勘测,寻找火星曾经存在的生命痕迹。

 

相信在今后的10年~20年,火星这颗红色的星球,将会成为人类最炙手可热的探测对象。

 

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