圖解深空探測史

文 / 葉楠

火星探測（下）

火星勘測軌道飛行器：攜帶大口徑相機(jī)

火星勘測軌道飛行器（左圖）是美國宇航局于2005年8月12日發(fā)射的一顆火星人造衛(wèi)星，2006年3月10日進(jìn)入火星繞轉(zhuǎn)軌道，經(jīng)過5個(gè)月的大氣剎車及軌道調(diào)整，最終軌道高度為250～316公里，周期為112分鐘。其主要工作是對火星進(jìn)行高分辨率成像，為未來的火星地面任務(wù)尋找合適的登陸地點(diǎn)，以及為這些任務(wù)提供高速通訊服務(wù)，并利用所攜帶的科學(xué)設(shè)備對火星的大氣、氣候進(jìn)行探測，在極地區(qū)域?qū)ふ宜暮圹E。時(shí)至今日，火星勘測軌道飛行器同“2001火星奧德賽號”和“火星快車號”一樣，依舊在火星軌道上超期服役。

火星勘測軌道飛行器攜帶了超過10套的科學(xué)儀器及試驗(yàn)設(shè)備，包括3臺相機(jī)，其中最大的一臺是高分辨率成像科學(xué)設(shè)備（右圖），重達(dá)65千克，造價(jià)4000萬美元，其鏡頭是一臺口徑0.5米的反射望遠(yuǎn)鏡，傳感器是由14枚CCD組成的陣列，分辨率達(dá)0.3米，其紅外波段單張圖像的最大尺寸為20000×126000像素，單張照片容量約為28GB。

鳳凰號：安裝機(jī)械臂的著陸器

2007年8月4日，美國的鳳凰號火星探測器（左圖）從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，它將對火星極地環(huán)境及氣候進(jìn)行探測，搜尋是否有微生物存在過的證據(jù)，以及研究極地水冰的歷史。除了常規(guī)的科學(xué)設(shè)備之外，“鳳凰號”還搭載了一個(gè)長約2.3米的機(jī)械臂，它可以挖掘火星表面土壤并送回“鳳凰號”內(nèi)進(jìn)行科學(xué)檢測。2008年5月25日，“鳳凰號”在火星北極地區(qū)成功軟著陸。

“鳳凰號”成功著陸后不久，便在火星表面挖開的大約5厘米深的表層土壤里發(fā)現(xiàn)了水冰的升華現(xiàn)象，可以看到升華的三個(gè)小冰塊，每個(gè)尺寸不到2/3英寸（右圖），不過指甲蓋大小。后續(xù)的土壤采樣也證實(shí)了水冰的存在，在將樣品加熱的過程中，當(dāng)溫度達(dá)到0℃的時(shí)候，“鳳凰號”所攜帶的科學(xué)儀器探測到了水蒸汽。2008年10月28日，“鳳凰號”由于太陽高度角過低及沙塵暴造成的電力不足進(jìn)入安全模式，2010年初，在火星北極下一個(gè)春季到來時(shí)，美國宇航局試圖嘗試與“鳳凰號”聯(lián)系，但沒有成功。通過“火星勘測軌道飛行器”的照片分析顯示，“鳳凰號”的太陽能電池板已經(jīng)被火星北極冬季的干冰壓壞。“鳳凰號”設(shè)計(jì)壽命為90個(gè)火星日，實(shí)際在火星北極成功運(yùn)行了152個(gè)火星日，完成其全部科學(xué)目標(biāo)。

好奇號：最大的火星車

好奇號火星探測器（左圖）是美國宇航局在火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目中研制的一臺火星車，比起它的前輩“索杰納號”“勇氣號”和“機(jī)遇號”，“好奇號”無論是重量還是體積都大得多，它長2.9米、寬2.7米、高2.2米，重899千克。由于火星上沙塵暴及其他不利條件，“好奇號”并沒有使用太陽能，而是使用了同海盜1號、2號一樣的钚-238放射性同位素?zé)犭姍C(jī)提供能量?！昂闷嫣枴钡臋C(jī)械臂長2.1米，可以自由旋轉(zhuǎn)350度，配備有鉆頭、機(jī)械鏟、X射線光譜儀、透鏡成像儀等，用來鉆?。ㄓ覉D）、篩分巖石和土壤樣品并進(jìn)行礦物的化學(xué)分析?！昂闷嫣枴钡闹饕繕?biāo)是確定火星是否曾經(jīng)有過適合生命存在的環(huán)境，以及水在其中所起的作用。

“好奇號”于2011年11月26日發(fā)射升空，2012年8月5日在火星蓋爾隕石坑成功著陸，它是一輛可以從地球遠(yuǎn)程遙控操作的火星車，由于距離遙遠(yuǎn)，從地球發(fā)出的信號有15分鐘的延遲。地面人員會為它選取好目標(biāo)位置，“好奇號”再依靠自身的相機(jī)雷達(dá)等設(shè)備自動(dòng)躲避障礙抵達(dá)目的地?！昂闷嫣枴钡臄?shù)據(jù)分析結(jié)果會借助現(xiàn)在依舊在軌的三個(gè)火星軌道飛行器——“火星快車號”“2001火星奧德賽號”以及“火星勘測軌道飛行器”傳回地球。2015年9月，美國宇航局公布“好奇號”在火星土壤中發(fā)現(xiàn)大量水分，重量占比可以達(dá)到1.5%至3%，這對未來人類登陸火星來說是一個(gè)好消息?！昂闷嫣枴钡脑O(shè)計(jì)壽命為2年，但是直到今天，它依舊“馳騁”在火星表面。

曼加里安號：印度首個(gè)火星探測器

曼加里安號火星探測器（左圖）是印度的第一個(gè)火星環(huán)繞探測器。2013年11月5日發(fā)射，2014年9月24日成功進(jìn)入火星軌道，軌道高度422×76994公里，傾角150度。這次成功使得印度成為全球第一個(gè)第一次嘗試便成功進(jìn)入火星軌道的國家，也是繼俄羅斯、美國、歐洲之后世界上第四個(gè)、亞洲第一個(gè)成功進(jìn)行火星探測的國家或組織。“曼加里安號”共攜帶了15千克重的科學(xué)儀器，對火星大氣、空間粒子進(jìn)行探測，對火星地表進(jìn)行成像研究。右圖為“曼加里安號”在距火星表面7300公里的高度傳回的首張火星照片。

馬文號：探測火星大氣失蹤之謎

美國的馬文號（MAVEN）火星探測器（左圖）發(fā)射于2013年11月18日，2014年9月22日進(jìn)入火星軌道，軌道高度150×6300公里，是人類首顆專門設(shè)計(jì)用于考察火星高層大氣的探測器，“MAVEN”是“火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)”的縮寫?！榜R文號”的主要研究目標(biāo)是火星大氣，包括火星上層大氣逃逸情況、電離層與太陽風(fēng)作用、大氣隨時(shí)間流失情況等，借此了解火星的氣候、水及宜居性變化的歷史?！榜R文號”2015年發(fā)布數(shù)據(jù)證實(shí)，由于火星內(nèi)部發(fā)電機(jī)冷卻，火星磁場屏蔽作用消失導(dǎo)致火星大氣被太陽風(fēng)剝離。2017年3月，為了避免與火衛(wèi)一相碰撞，“馬文號”通過空間剎車將遠(yuǎn)火點(diǎn)高度降低到4500公里（右圖，黃色的是原軌道）。

火星微量氣體任務(wù)：歐空局與俄羅斯的合作

火星微量氣體任務(wù)（左圖）是歐空局和俄羅斯航天局合作的一項(xiàng)火星探測任務(wù)，也是歐空局主導(dǎo)的火星生命探測計(jì)劃中的一部分。通過之前的探測發(fā)現(xiàn)在火星大氣中存在有微量的甲烷，同時(shí)這些甲烷還隨時(shí)間和位置變化而變化。這可能預(yù)示著火星上存在微生物或者類似地球表面的化學(xué)變化，如火山活動(dòng)或地?zé)峄顒?dòng)。為識別火星大氣中甲烷的來源及繪制火星大氣層地圖，火星微量氣體任務(wù)應(yīng)運(yùn)而生。火星微量氣體任務(wù)包括一個(gè)探測器和一個(gè)著陸器，于2016年3月14日發(fā)射，10月19日入軌，軌道為高度400公里、傾角74度、周期74分鐘的圓軌道。探測器所攜帶的火星著陸器名為斯基亞帕雷利，遺憾的是由于儀器故障最終墜毀在火星表面。右圖為“斯基亞帕雷利”著陸火星示意圖。

洞察號：首次探究火星“內(nèi)心深處”的奧秘

洞察號（左圖）是美國宇航局研制的一個(gè)用于研究火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無人著陸探測器，它的全稱是“利用地震勘測、大地測量與熱傳導(dǎo)的火星內(nèi)部探測”，英文簡稱InSight，直譯為洞察號。2018年5月5日“洞察號”從美國范登堡空軍基地發(fā)射升空，11月26日成功降落在火星埃律西昂平原，坐標(biāo)為北緯4.5度，東經(jīng)135度。“洞察號”著陸器重358千克、長6米、寬1.56米、高1.08米。在著陸的過程中，還有一對小衛(wèi)星MarCO A和MarCO B伴隨在“洞察號”兩側(cè)，它們是隨洞察號任務(wù)一同發(fā)射前往火星的，用來實(shí)時(shí)高速傳遞“洞察號”降落時(shí)的信息（右圖）?！岸床焯枴钡闹饕ぷ髂繕?biāo)是研究火星內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過對火星核心、地幔、地殼的大小、厚度、密度等進(jìn)行探測，找出與地球的異同，由此探究太陽系類地行星的形成和演化。