去火星上“科考” 工程約束是首要考慮

11月26日，“洞察”號(hào)火星探測(cè)器成功在火星埃律西昂平原著陸，開(kāi)始了對(duì)火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和現(xiàn)象的探測(cè)。“洞察”號(hào)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(hào)火星車著陸的蓋爾撞擊坑僅約600公里。

而就在數(shù)天前，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)還公布了下一代火星車“火星2020”號(hào)的計(jì)劃著陸地點(diǎn)。杰澤羅撞擊坑從三個(gè)備選著陸點(diǎn)中脫穎而出，成為了“火星2020”號(hào)火星車的目的地。

雖然火星的個(gè)頭相對(duì)地球要小，但在其約一億四千萬(wàn)平方公里的表面上為價(jià)值連城的火星探測(cè)器選定一個(gè)合適的著陸點(diǎn)仍然不是一件容易的事，需要工程師與科學(xué)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(wú)際的平原，又有深達(dá)6000米的峽谷和落差達(dá)27000米的太陽(yáng)系第一高山。對(duì)于地球上的汽車駕駛員來(lái)說(shuō)，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?yàn)榧炔挥脫?dān)心汽車溜坡，也不用在起步時(shí)實(shí)施相對(duì)復(fù)雜的坡起流程。對(duì)于火星車來(lái)說(shuō)，在相對(duì)平坦的地形上著陸同樣是風(fēng)險(xiǎn)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(duì)比較平坦。因此，除了具備特殊探測(cè)使命的探測(cè)器外，絕大多數(shù)的火星著陸探測(cè)器都降落在北半球及赤道附近。

探測(cè)器在著陸時(shí)，一般都需要通過(guò)與大氣相互作用來(lái)減速，在著陸的最后階段才使用自身發(fā)動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力實(shí)現(xiàn)軟著陸?；鹦堑拇髿庀鄬?duì)稀薄，如果著陸點(diǎn)的地理高程(與地球上的海拔概念類似)過(guò)高，那么探測(cè)器還沒(méi)有被大氣充分減速時(shí)就已經(jīng)與火星表面接觸。因此，一般都要選擇高程較低的區(qū)域作為著陸點(diǎn)。

長(zhǎng)時(shí)間在火星工作的探測(cè)器要借助太陽(yáng)能電池來(lái)產(chǎn)生電力。同時(shí)，用來(lái)導(dǎo)航和檢測(cè)障礙的光敏感器也需要較好的光照條件。火星的高緯地區(qū)無(wú)法獲得充足的光照，因此火星探測(cè)器大都會(huì)選擇在緯度小于30度的區(qū)域著陸。低緯度地區(qū)良好的光照條件也帶來(lái)了比較溫和的晝夜溫差，不會(huì)像高緯度地區(qū)那樣出現(xiàn)極端的晝夜溫差和夜間低溫，從而使探測(cè)器更容易維持自身的熱平衡。

如果探測(cè)器不慎降落在一片充滿巖石的區(qū)域，將會(huì)給探測(cè)器的工作帶來(lái)很大的麻煩。巖石會(huì)破壞探測(cè)器的著陸緩沖機(jī)構(gòu)，阻礙減速發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。同時(shí)，對(duì)于火星車來(lái)說(shuō)，遍布的巖石還會(huì)對(duì)它們的移動(dòng)帶來(lái)阻礙。因此，一般要選擇巖石較為稀少的地方作為著陸點(diǎn)。

除了在火星上著陸的探測(cè)器外，還有MRO、MAVEN等探測(cè)器以圍繞火星飛行的方式為我們帶來(lái)火星的全球信息。利用這些軌道器的探測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)家和工程師們可以對(duì)火星各個(gè)區(qū)域是否符合以上硬性約束做出判斷，給出可能的著陸點(diǎn)選項(xiàng)。

科學(xué)目標(biāo)幫助甄選地點(diǎn)

近期火星探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)以尋找火星上現(xiàn)在或曾經(jīng)存在生命的證據(jù)為主。通過(guò)以往的研究，科學(xué)家們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，如果火星上的某片區(qū)域曾經(jīng)是海底、湖盆、河床或者河流沖積形成的三角洲，那么這一區(qū)域很可能曾經(jīng)存在能夠孕育生命的環(huán)境。圍繞火星飛行的探測(cè)器除了能夠發(fā)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(cè)高儀等儀器，帶來(lái)火星全球的表面地形地貌、巖石成分等更豐富的信息?？茖W(xué)家們可以根據(jù)每艘著陸探測(cè)器的具體科學(xué)目標(biāo)，利用火星的全球數(shù)據(jù)選取一些潛在可用的著陸點(diǎn)。之后，通過(guò)不斷的加密探測(cè)和比較討論，縮小著陸點(diǎn)候選范圍，并確定實(shí)際使用的著陸點(diǎn)。

以“好奇”號(hào)火星車為例，這艘火星車最初計(jì)劃于2009年發(fā)射，為其選取著陸點(diǎn)的工作在2006年就開(kāi)始了。NASA向“火星探測(cè)項(xiàng)目分析組”的成員發(fā)出了征集著陸點(diǎn)的通知，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們開(kāi)始進(jìn)行選點(diǎn)工作。很快，科學(xué)家們提交了33個(gè)可選的著陸點(diǎn)方案。NASA據(jù)此調(diào)整了環(huán)繞火星探測(cè)器的探測(cè)計(jì)劃，以進(jìn)一步獲得這33個(gè)可選著陸點(diǎn)更細(xì)致的遙感觀測(cè)信息。

一年后，科學(xué)家們?cè)俅握匍_(kāi)研討會(huì)，利用已經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)對(duì)著陸點(diǎn)進(jìn)行了遴選。遴選主要考察四個(gè)方面的因素：獲取地質(zhì)學(xué)特征的能力、適宜生命存在的證據(jù)、生物特征的存在以及評(píng)估該地點(diǎn)孕育生命潛力的能力。在經(jīng)過(guò)3天的討論后，著陸點(diǎn)的候選者被降低到6個(gè)。

有趣的是，“好奇”號(hào)實(shí)際使用的蓋爾撞擊坑著陸點(diǎn)，在此輪PK中就已經(jīng)出局了。然而，2008年，MRO探測(cè)器上搭載的CRISM光譜儀帶來(lái)了新的巖石成分探測(cè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的分析表明，蓋爾撞擊坑中存在大量只能在富含水的環(huán)境中形成的礦物，意味著這里曾經(jīng)存在著湖泊。此外，該處的地貌特征也表明此處曾經(jīng)頻繁地被洪水沖刷過(guò)。

這些新情況引起了科學(xué)家們的極大興趣，并將蓋爾撞擊坑重新列為備選登陸點(diǎn)。此時(shí)，“好奇”號(hào)任務(wù)由于其他原因被推遲到了2011年，科學(xué)家們獲得了更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)對(duì)著陸點(diǎn)進(jìn)行更為充分的評(píng)估。

2010年，在召開(kāi)了最后一次研討會(huì)后，科學(xué)家們?nèi)匀粵](méi)有對(duì)著陸點(diǎn)的選取達(dá)成一致。因此，包括蓋爾撞擊坑在內(nèi)的四個(gè)候選點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)和科學(xué)家的建議被總結(jié)在一份僅有4頁(yè)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(hào)已經(jīng)帶來(lái)了大量的新科學(xué)發(fā)現(xiàn)，今年6月還發(fā)現(xiàn)了有機(jī)物分子存在的證據(jù)，從而說(shuō)明選取蓋爾撞擊坑作為著陸點(diǎn)是相當(dāng)成功的。

載人登陸有更多要求

目前，對(duì)載人登陸火星的著陸點(diǎn)研究也在進(jìn)行當(dāng)中。和探測(cè)器一樣，載人任務(wù)也需要在一片較為平整的地形上實(shí)現(xiàn)軟著陸。其地理高程較低、地勢(shì)平坦無(wú)大量巖石等要求與無(wú)人探測(cè)的著陸點(diǎn)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(yùn)載成本巨大，因此在當(dāng)前的技術(shù)條件下宇航員們很難攜帶大量的水前往火星，他們?nèi)粘Ｉ嫠枰乃仨氃诨鹦巧暇偷厝〔?。同時(shí)，水還可以供宇航員們?cè)诨鹦巧线M(jìn)行農(nóng)作物生產(chǎn)，通過(guò)電離產(chǎn)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(chǎn)生水的途徑有兩個(gè)。一個(gè)是通過(guò)分解水合礦物質(zhì)，另一個(gè)則是開(kāi)鑿火星上的冰層。從直覺(jué)上看，開(kāi)鑿冰層似乎是一個(gè)更加容易且直接的選項(xiàng)。然而，火星上的冰層一般存在于寒冷的極區(qū)，這里的低溫將給宇航員的生存和登陸飛船的正常運(yùn)作帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。極端的低溫也意味著開(kāi)鑿冰層需要耗費(fèi)較多的能量。此外，宇航員從火星極區(qū)起飛返回地球時(shí)，無(wú)法像在赤道那樣得到火星自轉(zhuǎn)的“助力”。因此，在低緯度地區(qū)尋找富含水合礦物質(zhì)的地區(qū)著陸目前被認(rèn)為是更加合理的選擇。(作者系哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)博士后 李會(huì)超)

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