好奇号火星探测器是如何工作的？天文学家为您解惑

除“勇气号”和“机遇号”之外：2012年8月，火星上有了一个新的探测器。它的六轮驱动，摇臂转向架悬挂系统和桅杆摄像机，可能与它的前辈们相似，但仅相当于卡车与悍马的相似之处。我们说的是一辆核动力、携带激光的巨型科学卡车，配有火箭包——25亿美元的便宜货(含税、头衔、停泊和运费)。

图解 :这就是美国国家航天航空局(NASA)最新的无所畏惧的火星探测器。“好奇号”的大小和一辆小型越野车差不多，装备齐全，可以游览火星上的盖尔环形山。参见火星登陆的图片。

火星科学实验室，又名“好奇号”，占据了火星探测器陈列室的主要位置，它打破了美国宇航局的“勇气号”和“机遇号”在2003年创下的记录，长度是它们的两倍(约10英尺或3米)，重量是它们5倍(1982磅或899公斤)。它是越野的，没有轮毂来锁定(也没有人来锁定他们)。6个20英寸(51厘米)的铝轮可越过接近30英寸(75厘米)高的障碍物，每天可在火星地形上前进660英尺(200米)。

女士们先生们，2011年的“好奇号”携带的工具比Ronco的仓库还多——从收集土壤和岩石粉末样品的设备，到准备和分类它们的筛子，再到分析它们的机载仪器。“好奇号”的激光是一种可调谐的光谱仪，用于识别有机(含碳)化合物并测定关键元素的同位素比率。最重要的是，它久经考验的核能系统——长期用于卫星、宇宙飞船和搭载在阿波罗任务上的月球设备，保证不会让你在沙尘暴中滞留。

是的，美国宇航局为它重新设计了一个分体模型，将精选的紧凑科学设备压缩到尽可能小的空间中。但不要依赖我们的话：问喷气推进实验室的飞行系统总工程师罗伯·曼宁(Rob Manning)，他把它称为“迄今为止我们制造过的最复杂的东西”。

美国宇航局不遗余力地研制了迄今为止最雄心勃勃的探测器。与之前的火星模型相比，这台机器将利用更大的实验室仪器和传感器进行更多的机载科学研究。今天下订单，NASA就会把它送到你家门口12英里(20公里)以内的地方(有一些限制；门必须在2.5亿英里(4.02亿公里)范围内）。你的探测器将比其他的着陆更精确，所覆盖的地面更崎岖，它将有迄今为止最好的机会来发现火星上的水流历史和古代宜居环境的可能性。没错，如果《汽车趋势》(Motor Trend)杂志有太空车分类的话，“好奇”号无疑会获得“年度漫游车”。

现在，为什么不拿上钥匙去试驾呢？

从设计到现实

图解：这是好奇号着陆的盖尔陨石坑（Gale Crater)。注意，这个艺术概念图有垂直方向上的夸大，为了让人们更好地了解该地区的地形。

美国东部时间2011年11月26日上午10:02，经过多年的测试、开发和建造容错，火星科学实验室(MSL，即“好奇”号)搭乘阿特拉斯5号火箭从卡纳维拉尔角空军基地发射升空。它于美国东部时间2012年8月6日凌晨1:32成功登陆火星。

在将好奇号装上外壳之前，工程师们对好奇号进行了一系列模拟内部故障和外部问题的严格测试，包括离心机测试、跌落测试、拉力测试、驱动测试、负载测试、压力测试和短路测试。

与此同时，美国宇航局必须决定新火星车将探索什么地方，如何到达那里，以及如何让它安全着陆——说起来容易做起来难。

地球和火星围绕太阳公转的速度不同——火星公转时间为686.98个地球日，而地球为365.26个地球日——这意味着它们的相对距离相差很大。用尽可能少的燃料到达火星意味着当其经过离我们最近点的时候发射。这不是一个小问题:火星离地球最远的距离(2.493亿英里，或4.013亿公里)是离地球最近的距离(3460万英里，或5570万公里)的7倍多。

就像一个四分卫传球一样，发射系统的目标不是火星在哪里，而是当飞船到达时它会在哪里。美国宇航局抛球，在250多天后，“探测器”橄榄球到达了圆形和红色的接收器，并于2012年8月6日(东部夏令时)周日着陆。

美国宇航局并没有从地球表面“抛出”好奇号，而是从行星轨道上进行发射。以下为做法：当运载火箭从卡纳维拉尔角到达太空时，它的前锥，或称整流罩，像一个翻盖一样打开，随着火箭的第一级一起脱落，第一级切断并垂直坠入大西洋。第二阶段是半人马引擎，启动，将飞船送入停泊轨道。一切就绪后，火箭又启动了第二次燃烧，将飞船推向火星。

发射后大约44分钟，好奇号和火箭分离，开始和地球通讯。在继续前进的过程中，它偶尔会按计划调整航向。

一旦它进入火星大气层，乐趣就真正开始了。

盖尔陨石坑

好奇号开始了探索盖尔陨石坑的旅程，盖尔陨石坑位于火星南部高地和北部低地之间。盖尔飓风直径96英里(154公里)，覆盖面积相当于康涅狄格州（Connecticut ）和罗德岛（ Rhode Island）的总和。

无噪音耐心的探测器

图解：由于体积庞大，“好奇号”无法进行气囊辅助着陆。所以火星科学实验室使用了如图所示的天空起重机着陆系统，该系统能够将一个更大的火星车送上火星表面。

火星上有一座3英里(5公里)高的沉积山，它比西雅图的雷尼尔山塔（Mount Rainier towers）还要高。这些地层由矿物和土壤层组成——包括粘土和硫酸盐，它们指向了水的历史——这些地层将提供一份宝贵的火星地质历史地图。

过去，水会流向并聚集在盖尔的低地，使它成为溪流、池塘和湖泊遗迹可能的储存库，因此是寻找火星过去宜居性证据的理想场所。

就像沃尔特·惠特曼(Walt Whitman)的“无噪音、耐心的蜘蛛”一样，“好奇号”很快就会被孤立在一个海角上，传回数据，并由它的任务控制员决定“如何探索这片空旷广阔的环境”。然而，它与蜘蛛的相似性还有更多，它细长的、有关节的腿像蜘蛛一样延伸到火星表面。

然而，在我们阐明这一点之前，让我们先来看看第一次到达火星时，在火箭帮助下，飞船的跳跃。

当载有“好奇号”的宇宙飞船在距地面78英里(125公里)的火星大气层中摇摆时，它通过一系列与航天飞机类似的s型曲线来操纵和制动。着陆前的几分钟，飞船在离地面约7英里(11公里)的地方弹出了一个降落伞，以减慢900英里每小时(1448公里每小时)的下降速度。然后，隔热板从圆锥体底部喷射出去，为“好奇号”创造了一个出口。

火星车的上层像龟壳一样被夹在背后，完全脱离了圆锥体。过了一会儿，安装在火箭轮辋上的制动火箭爆炸了，把火箭和探测器固定在离地66英尺(20米)高的地方;从这里，上面的舞台就像天空中的仙鹤，将好奇号像蛛丝上的蜘蛛一样降下。一旦探测器安全着陆，它的缆绳就被割断，好奇号就开始了它的旅程。

着陆前不久，火星下降成像仪拍摄了着陆区域的高清彩色视频。这段视频有助于着陆，并为研究人员和任务专家提供了探索区域的鸟瞰图。另一组仪器，火星科学实验室入口，下降和着陆仪器套件，将测量大气条件和航天器性能。美国宇航局将在规划和设计未来任务时使用这些数据。

新的着陆系统比以往任何系统都要复杂，但也可以更精确地控制，这使得任务策划者能够瞄准盖尔环形山这一长期目标。对于勇气号和机遇号来说，要在“好奇号”12英里(20公里)的目标区域内着陆是不可能的，用它们太空时代的气泡垫回弹所需的面积是好奇号的5倍。这一成功开辟了一系列理想的地点，包括以前由于地形复杂而禁止进入的陡峭的环形山。

好奇号也将为未来的任务奠定基础，就像以前的火星之旅使新探测器的探险成为可能一样。这类任务可能包括挖掘岩石并将其送地球，或进行更深远的地表调查，寻找火星微生物生命及其关键化学成分的证据。

现在我们已经安全可靠地着陆了，让我们看看火星科学实验室的标准装备是什么。

非标准设备

图解：看看好奇者装载的所有仪器

无论是准备两周的假期，还是准备在数百万英里外充满敌意的沙漠中进行科学考察，基本问题都是一样的：

带什么，带什么…

与地面游客不同的是，他们可以跑到街角的商店去换掉一把被遗忘的牙刷，好奇号完全靠自己。没有维修人员待命，后备箱没有备件，地球发出的每一个信号都需要14分钟左右（截至2012年8月）才能到达，自力更生就是你的全部。

然而，“好奇号”在火星上并不是去观光的。它的任务是收集岩石和土壤样本，并将其放入机载仪器进行分析。考虑到这一点，“漫游者”配备了一个7英尺(2.1米)高的摄像杆和一个7英尺、3个关节的机械臂，它的附件比工业真空吸尘器还多。该样品采集/样品制备和处理系统将收集、除尘、钻孔、粉末、收集、分类、筛选样品，并将样品传送到各种分析资产

·小型气相色谱仪和质谱仪将分离和分析样品中的化合物。

·可调谐激光光谱仪将寻找有机（含碳）化合物，并确定关键同位素的比例——这两种同位素都对揭示火星过去的大气和水环境至关重要。

·CheMin，一种X射线衍射和荧光仪器，将测量样品的整体成分并检测其组成矿物。

·位于探测车臂上的“火星手镜头成像仪”将对岩石、土壤以及冰（如果有的话）进行极其近距离的拍摄。这款uber相机可以捕捉到比头发还细的细节，或者聚焦到臂长以外的物体上。

·火星科学实验室的α粒子x射线光谱仪也位于臂上，它将计算出火星岩石和土壤中各种元素的相对含量。

好奇号的脖子，或者桅杆，也被装饰在仪器上：

·火星科学实验室桅杆摄像机（MSLMC）安装在人眼高度，将帮助探测器在高分辨率立体和彩色静像或高清视频中导航和记录周围环境。摄相机可以查看车臂收集或处理的材料。

·立体避险摄像头位于桅杆下方，有助于探测器导航。

·另一个桅杆式仪器Chemcam，将使用激光脉冲蒸发30英尺（9米）远的薄层物质，然后用分光计分析。它的望远镜可以捕捉到光束目标区域的图像。

除了这些样本分析仪器外，探测器还配备了科学仪器，可以检查当地情况，这可能与未来的人类任务或了解地球维持生命的能力有关:

·放射性评估探测器将监测地表辐射水平。

·探测器环境监测站将读取大气压力、温度、湿度和风力，以及紫外线辐射水平。

·中子的动态反照率仪器可以探测到地表以下3英尺（1米）处的氢——一种潜在的冰或水被困在矿物中的指示器。

这是一个令人印象深刻的豪华约会，但它不会给美国宇航局带来什么好处，除非好奇号把它藏在引擎盖下。让我们来看看是这只小狗有什么力量。

运输空间

“科学的怪物卡车”并不是一辆燃烧氮气、喷火的滑稽的汽车，不是一辆普通的老式内燃机车。它也不炫耀为其前身发电的太阳能电池板。不，在这次任务中，美国宇航局使用了核能。

好奇号从氧化钚中获取能量。当放射性同位素衰变时，它释放出热量，探测器利用热电偶将其转化为电能。这个多任务放射性同位素热电发生器(MMRTG)将保持探测器的电池充满110瓦的电力。

该系统的功率比太阳能电池要大，而且没有活动部件需要拆卸，但是这种发电机能比老式的砷化镓电池表现更好吗?毕竟，勇气号一直工作到2010年春天，而坚强的机会号仍然在转动它的里程表，它的里程表已经达到了每天21英里(34公里)，328英尺(100米，大约是一个美国足球场的长度)。这些非凡的车辆远远超过90天任务期限的部分原因，是免费的、可再生的太阳能。

好吧，现在还不要用核能。放射性同位素系统的14年寿命可能比探测器本身还要长，而且永远不会成为火星天气、灰尘或冬季变化无常的牺牲品。

此外，额外的动力是值得权衡的:“好奇号”将比之前的“好奇号”覆盖更多的地面，速度大约是之前的两倍。在火星的一年里(大约687个地球日)，它将在盖尔陨石坑内飞行12英里(19公里)，携带着比勇气号或机遇号大10-15倍的科学载荷。电力将一直保持可用，好奇号将使用多余的热量来保持重要仪器的温度。

帮助好奇号有效利用这种马力的是美国国家航空航天局（nasa）改进过的老式月球车摇杆转向架底盘（见侧栏），这是由连接在六个铝制车轮上的钛管组成的，这些铝轮非常薄，可以像橡胶一样弯曲。所有四个角轮都可以旋转90度，使探测器能够原地转动。工程师们对“好奇号”的悬挂系统进行了一定程度的改进，以适应其作为起落架的新角色，并成为一辆可穿越更崎岖地形的重型车辆。

着陆后不久，这辆底盘将把漫游者带到它的第一个目的地:一个外号为“围栏”的裸露岩石。美国宇航局将目标锁定在这块岩石上，因为之前的火星观测显示，这块岩石中含有含水沉积物——在水中形成的矿物质。从那里，“好奇号”将冒险进入峡谷、岩石众多的山腰和丘陵地带，这些地方让人联想起亚利桑那州的塞多纳红岩，它们也是在水环境中形成的。到那时，它的第一个火星年已经过去。

从那里，探测器将深入岩石更多、更崎岖的地形。探索这一区域将需要几年时间，但一旦穿过探测器的相机将被视为好奇号所走过道路的全景图。

在此过程中，火星科学实验室将调查火星上是否存在或曾经存在过微生物生命的条件，以及火星的岩石和土壤中是否保存着微生物生命的线索。

做摇杆转向架

好奇号的悬挂系统和以前的火星漫游旅居者，勇气号和机遇号的悬挂系统一样。该系统既不使用车轴也不使用弹簧，因为每个车轮都可以独立上下移动，所以可以保持稳定。由于火星引力和巧妙的地球工程，月球车被动地将所有六个轮子保持在地面上，并不断承受负载，即使在清除接近30英寸(75厘米)的障碍物时也是如此。这种力量的平衡提供了至关重要的牵引力，特别是在柔软的沙地环境中。柔性悬架还可以“吸收”一些倾角，从而使月球车更平衡。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

FY:

作者: NICHOLAS GERBIS

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选文：天文志愿文章组-

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终审：天文志愿文章组-

排版：天文志愿文章组-零度星系

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参考资料（备份）

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自：https://science.howstuffworks.com/mars-curiosity-rover1.htm

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