好奇号curiosity火星探测任务.pdf

物理之舞 整理 史上最贵的火星任务 Curiosity（中译「好奇号」）火星探测车，即将在本地时间今天中午左右开始它的「惊险七分钟」，瞄准火星赤道附近的盖尔撞击坑进行着陆无论是探测车的设计、搭载的仪器、进行的任务还是降落的方法，Curiosity 都是火星探测史上当之无愧，最有野心的一个计划 在降落进入最后倒数的同时， 让我们一起来看看这台有高尔夫球车大的探测车到底厉害在哪里吧！ 什么是什么是 Curiosity？？ 物理之舞 整理 Curiosity 原名「火星科学实验室（Mars Science Laboratory），是美国太空总署（NASA）的第三代火星探测中，也是目前为止最大的一台第一代的旅居者（Sojourner）探测车大约只有台微波炉大，随着火星探路者（Mars Pathfinder）任务一同于 1997 年着陆火星，主要是做为技术测试平台使用，为后来的任务铺路旅居者一共在火星上跑了 83 个火星日1，总行进距离约 100 公尺左右（但从没有离开 Pathfinder 的周围），拍回了 550 张的照片 第二代的火星探测车，就是精神号和机会号这两个我们网站的常客两台探测车长得一模一样，在设备完全开启时高 1.5m，宽 2.3m，长 1.6m；是相当大台的探测车，也是首个没有「基地」，所有的通讯、仪器全部带在车子上的火星探测任务。

精神号和机会号以长寿出名，靠着地球上科学家的努力，2004 年着陆的精神号一直撑到 2010 年三月才寿终正寝，任务总长是预定长度 90 火星日的 21.6 倍；而晚它三礼拜着陆的机会号，则依然在火星上努力着，目前在一个名为奋进撞击坑的陨石坑附近徘徊观测，总共行进的距离已长达 34.5 公里 有这么些名声显赫的前辈，Curiosity 肩上的压力自然不小做为第三代的机种，Curiosity 有着从精神号和机会号上学来的大量经验供参考， 而设计上最主要的差异， 就是将电力的来源从太阳能换成了核热能 - - 精神号和机会号因为天气的缘故常常太阳能板上会积沙尘，让科学家们常常不得不精打细算地计算每天可以跑多远、开多少仪器，而采用核热能的 Curiosity 就没有这个麻烦，不论什么天气、季节都能正常运作此外，Curiosity 比前辈们又要大上不少，长度有三公尺左右， 重量更是重达 900 公斤 这体型和轮胎大小， 意味着 Curiosity 每小时最多能跑 90 公尺，并翻过高达 75 公分的障碍物 Curiosity 的任务是什么？的任务是什么？ 物理之舞 整理 好奇号的基本任务和前辈们并无二致， 只是因为它的体型， 所以能对更大的范围做更详细的研究。

在地质上分析火星的地形和矿物， 以判断火星的过去和现在是否有水的存在， 以及水是否在地形形成的过程中扮演着角色；在气候上分析火星大气的历史；当然还有最重要的，试图找出火星是否有生命存在除了这几个之外，Curiosity 还在飞向火星的路途上测量受到的总辐射强度，做为未来人类探测火星时的参考 Curiosity 的电力来源是什么？的电力来源是什么？ Curiosity 的 RTG 模组 前面有提到 Curiosity 的电力来源不是太阳能，而是「放射性同位素热发电机（Radioisotope Thermoelectric Generator，简称 RTG）」Curiosity 的 RTG 其实与其说是发电机，它和电池还比较接近，利用钚- 238（这是一个没有核分裂能力的钚同位素）在自然衰变的过程中释放出来的热，再转换成电力来发电Curiosity 上的模组在任务初期可以可靠地在任何状况下提供约 125 瓦的输出，这个数字会随着燃料的衰变而逐年降低，但 14 年后应该还有 100 瓦这让 Curiosity 任务期间的每日总发电量大约在 2.5 度 （瓩小时） 附近， 比精神号和机会号的 0.6 度要高出许多。

Curiosity 带了什么设备？带了什么设备？ 物理之舞 整理 Curiosity 的主控电脑采用的是以 IBM 的 PowerPC 750 为基础的 RAD750 处理器，时脉大约是 200MHz，一共有 256K 的 ROM、256MB 的 RAM、2GB 的闪存记忆体这规格好像和前两年的低端相当，比现在的智能是要弱多了但你的上不了太空，是吧？ 物理之舞 整理 至于相机，Curiosity 带了四个，都是采用相同的 1600x1200 像素感光器，并且有 720/10p 的录影能力装在立着的桅杆上就有两个，一个中焦段定焦、一个望远定焦本来承包商开发好了变焦镜头的，但可惜因为测试时间不足，最后没能安装上去第三颗装在延伸出去的手臂上，是一颗用来近距离拍摄石头用的微距镜相机；而第四颗则是装在 Curiosity 的肚子底下，司职在降落过程中持续拍摄下方的地形，在整个过程中最多以拍到 4000 张相片，作为之后在火星上漫游时的参考此外，Curiosity 还有在四个角落各装有一颗避开障碍用的黑白摄影机，以及在桅杆上有另两个黑白的导航用相机 物理之舞 整理 科学仪器的部份，Curiosity 有四个光谱仪，包括首见的镭射光谱仪，用高能镭射在远达七公尺外气化分析目标，在分析过程中发出的强光；另三个是比较传统的 Alpha 粒子 X 光光谱仪、分析晶体结构的 X 光散射分析设备、 以及分析气体用的气相光谱仪。

这些仪器提供了 Curiosity 地质分析的能力，而其他器材则以大气分析及天气纪录为主 Curiosity 的降落过程是什么样子？的降落过程是什么样子？ 物理之舞 整理 如同前面所说的，Curiosity 着陆的过程被 NASA 称为是「惊险七分钟（Seven minutes of horror）」，因为从火星大气层上空开始到着陆为止，一共只有七分钟的时间，但是地球上的信号要抵达火星却要 14 分钟 - - 换言之，等到地球这边得到确认 Curiosity 已经开始着陆的同一时间，Curiosity 究竟着陆成功与否就已经是定数了整个过程当中地球人是完全无能为力，只能看 Curiosity 上的自动系统是否能顺利完成工作 基于 Curiosity 的体型和重量，前两代车子使用的「安全气囊弹跳着陆法」已经不适用，而传统的火箭反推着陆法则因为担心扬起的粉尘会损坏仪器，也被放弃因此科学家不得不重新为 Curiosity 设计一种复杂无比的新着陆方式 第一步是利用火星的大气层来减速 - - 这部份和地球上载人火箭返回时的方法没有什么不同，一个特别设计的隔热盾在降落的过程中提供保护， 将外面高达摄氏 2100 度的高温隔离。

从 80km 的高空，一直到 11km 的高度为止，都由隔热盾产生的阻力来减速，同时提供一定程度的导航，可惜火星的大气密度终究是不如地球， 无法像太空梭那样滑翔着陆， 因此下一步就要靠降落伞来接手了 物理之舞 整理 但 Curiosity 的降落伞也不是什么普通的降落伞，而是可以撑着两倍音速的压力的特别设计这个降落伞与前一代的设计相同，但面积大了一倍多到了 8km 的高度时，Curiosity 已经被减速到约每小时 500 公里的时速，此时下面的隔热盾会脱离，露出前面提到，负责拍摄地面景象的相机和六道测量高度的雷达波这些雷达波提供的高度数据对下一个阶段来说至关重要 隔热盾脱离后约 80 秒， 是这个着陆过程最刺激的部份 - - Curiosity 脱离降落伞， 开始自由落体此时的高度约为 1.6km，时速大约是 225 公里左右，载着 Curiosity 的着陆装置在离开降落伞一小段距离后会先发射横向火箭， 避免进一步减速的过程中和降落伞又撞在一起， 随后发射向下的垂直火箭，将 Curiosity 在离地 20 公尺左右时进一步减速到基本上接近飘浮在半空中 物理之舞 整理 如果是传统的火箭着陆的话，只要一直发射到落地就好了，但 Curiosity 为了避免仪器受损，还不得不再经过一道程序 - - 这时候，一组长长的缆绳会开始将 Curiosity 垂吊下来直到安然落地为止。

得知 Curiosity 已经落地的着陆装置这时候会自行断开缆绳飞向一侧，避免撞上刚降落的 Curiosity最后再将电脑从降落模式切换成地表模式，就大功告成啦！ 接下来呢？接下来呢？ 目的地的盖尔撞击坑 从上面的描述，就可以大概了解到整个过程的复杂与技术上的困难假设真的一切顺利的话，在地球上的我们会约近 14 分钟后收到第一份确认信号，但因为火星的自转的关系，接下来地球就会 「下山」 ， 不再能直接与火星通讯， 接下来的信号都要经由在火星轨道的人造卫星代为转发Curiosity 接下来会在原地呆大概五天的时间将桅杆和机器手臂伸出、做自我检查，确定没有任何仪器或零件在降落的过程中受损、并且观看四周，确定轮子底下的状况Curiosity 选择的着陆点应该没有什么特别麻烦的地形，但如果运气不好，刚好一只脚放在颗大石头上的话，科学家也要能研空出怎么安全地将它开出来才行最后，就是确认所在的精确位置（在没有 GPS，天上的卫星也看不到它的情况下，这工作没有想像中容易呢），然后就可以出发啦！ Curiosity 的主要任务期是一个火星年，或差不多地球的两年（准确的说，687 天），以探测盖尔陨石坑和周边为主。

当然，在这个阶段没人敢对 Curiosity 的未来打什么包票，但考虑到机会号在八年后依然老当益壮，Curiosity 的未来应该很能令人期待才是 不过这一切都建立在它能不能撑过「惊险七分钟」的前提之下，所以 Curiosity，加油！ 注 1： 一个火星日是火星自转一圈所花的时间， 比一个地球日略长一点点， 大约是 24 小时又 40 分钟左右 物理之舞 整理 来自： curiosity- the- mars- science- laboratory/ 。