如何揭开火星的神秘面纱,仪器正式落地

作者: 必德电竞  发布:2019-05-22

根据洞察号任务合作方德国航天局(German space agency)的一份声明,“鼹鼠”仪器的部署由于命令未能及时传达到洞察号而被推迟了两天。

2018年5月5日,InSight着陆器从范登堡空军基地开往火星,并于11月26日在火星(古老火山区以南的赤道地区)的Martian Elysium Planitia降落,并像地球发回一个火星年的数据。这是火星研究中前所未有的方式,完全不同于“机遇号”和“精神”这样的火星车任务。

自从去年登陆火星极乐平原以来,NASA洞察号探测器已经在6000万公里外的红色星球度过了76个昼夜。作为一个没有轮子的固定式着陆器,洞察号的主要任务就是“摆摊”——把搭载的科研仪器一个个平稳地放置在火星表面。

但洞察号则不能依赖任何这样的人类帮助。相反,哈德逊和他的同事们必须根据“鼹鼠”所在的环境及其需要完成的特定目标来完美地订制这个仪器。

第二种主要来源方式:当火星上所有的岩石都以庞大的速度粉碎在一起的时候,它们会形成一个最初的热量,我们管它叫做自吸收的初始热量预算。但是,科学家们并不希望在这个源头发现很多火星的热量信息。

对于10厘米以下的石块来说,鼹鼠可以轻松将它推到一边。稍大些的石块有点棘手,只能从旁边挤过去,最糟糕的是迎面钻到大块岩石,钻取机构根本无法钻透,后退重来又不可能——这将意味着鼹鼠使命的终结。

科学家们无法事先知道“鼹鼠”仪器成功的几率,因为主要的担心是它可能会撞上一块太大的大石头而导致无法工作。“鼹鼠”挖得越深,研究小组就能在不受地表天气干扰的情况下,更准确地读出行星内部的温度流。

InSight着陆器的地震计传感器大概是2欧元硬币大小,在它的地震计上一共有三个传感器。并且,它所探测到的振动是可视化的,可以从火星表面观察到尘埃恶魔的路径。关于风和热盾,NASA也向我们展示了该应用程序的禁止框架图示,压力传感器的入口就处在风和隔热罩内的位置。

火星放眼望去一片荒芜,也没有城管或拆违办,洞察号可以慢悠悠的摆弄自己那些瓶瓶罐罐。凭借1.8米长的机械臂,洞察号之前已经成功部署一台地震仪,又在它上面扣了个直径0.7米的高科技“锅盖”,为这台法国造的娇贵仪器搭建一个安乐窝。

一旦研究人员确定了这些浓度,以及洞察号设计用来测量的其他火星特征,比如地壳厚度等,他们就可以把这些值输入电脑模型,评估那些描述火星如何变成现在这个样子的不同场景。如果这一切看起来有点深奥的话,简单点说就是火星上的热流会对火星火山活动停止时间产生的影响,以及火星是否有液态水隐藏在它地表下面。

第一种主要来源方式:最强的地壳,随着时间的释放,钍和钾衰减并释放热量,这其中当然还少不了放射元件的铀等物质,这些都是放射元素的集中。

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在像火星这样的星球上有两种主要的热源,它们都告诉了科学家这个星球是如何形成的。斯姆雷卡尔说:“一个是来自吸积的初始热量,所有初始岩石以巨大的速度相互碰撞,所以就有了初始热量。”(科学家们预计不会在火星上找到太多这种热源。)

火星,一个神秘又多彩的星球,即将在人类面前一层一层地揭开面纱。美国InSight将探索火星作为自己的核心使命,并和鼹鼠合作执行任务,但由于InSight没能及时收到命令,而导致部署鼹鼠的关键任务延迟了2天。

NASA喷气推进实验室的科学家Matt Golombek表示,HP3的电机钻取机构将在2月下旬开始工作,预计用一个多月的时间才能达到目标深度。在陌生的红色星球钻探并非易事,“鼹鼠”未来可能面临的最大风险是在向地下锤击的过程中意外遇到一块岩石。

一旦鼹鼠钻到其深度极限,它就会停在地下测量火星全年的温度变化。这将使科学家能够追踪热量是如何在不受火星表面天气影响的情况下在火星内流动的,而这种热量的流动对于理解火星是如何演变成现在的样子有着重要的意义。“热量是地质学的引擎,”哈德森说。

2、火星上的主要热源是从何而来

火星当地时间2月12日上午10:39,洞察号将第二台科研仪器“热流和物理学特性探头HP3”放置到地震仪左侧1米远的地方。HP3由德国航天局制造,能够像鼹鼠一样钻到火星深处,后面还拖着一根带有热传感器的电缆,通过它收集的火星内部热量数据,科学家可以了解远古火星的地质活动史,为探究太阳系岩石行星形成和演化提供佐证。

“从工程和科学的角度来看,让‘鼹鼠’仪器进入火星风化层还有观察仪器在火星的行为都将会非常激动人心,”InSight任务的副首席研究员、喷气推进实验室的地球物理学家苏·斯姆雷卡尔(Sue Smrekar)说,“能真正潜入火星地下将是一件非常令人兴奋的事情。”

鼹鼠的工作将是至下而上,需要达到5米的探索深度,它可以向下冲击进入风化层,然后推开阻碍自己前行的岩石和泥土。那些被挖掘的岩石会发出热脉冲,正是通过这些脉冲热量的消散速度得到想要的数据,最后通过自己身后悬挂的传感器而返回收集到的数据。

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2月13日,洞察号在火星表面拍摄到其热探测器的照片。来源:NASA/JPL-Caltech/DLR

InSight有一个超过2.4米的机械手臂,配有一个可以拍摄3D视图的摄像头,但他最主要的作用是通过地震计和热流探头进行表面测量。另外,InSight上的传感器还可以提供火星的天气信息和附近局部磁场的变化规律,InSight上共有3种仪器观察火星内部深处。

这台“机械鼹鼠”重约3公斤,在地下掘进时最大功率为2瓦。它将在火星地表之下钻一个深5米的洞,远远超过之前人类探测器在其它星球的挖掘深度——海盗一号在火星创造的挖洞记录是22厘米,它的“表兄弟”凤凰号也只挖了18厘米深。

第一只星际“鼹鼠”即将在火星表面挖洞,但这只“鼹鼠”完全是机械的,而且在其他任何星球上都一样能折腾。

1、作为InSight任务关键仪器之一的鼹鼠是什么

作为NASA资深行星地质学家,Golombek被人戏称年龄最大的“火星人”,他领导的团队在过去25年中一直专注于火星地质研究,对洞察号着陆区域有非常深入的了解,但他也承认,HP3任务存在未知因素,进展可能不会一帆风顺。

当鼹鼠自己挖洞时,它会向周围的岩石发送热脉冲,然后测量热消散的速度。这将告诉科学家们在火星的这个特定区域中岩石与空气的比例是多少,这非常有趣,因为洞察号位于一个巨大的陨石坑内。“这将帮助我们理解这些物质主要是被吹进陨石坑的沙子,还是你所期望的那种会在陨石坑内出现的某些喷出物混合物?”斯姆雷卡尔说。

4、InSight各部分的结构和原理是什么

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“鼹鼠”仪器是美国宇航局“洞察号”任务的关键设备之一,该任务于今年11月登陆火星,并将于昨晚正式启动。这将是第一个测量热量如何在另一颗行星流动的仪器,这一关键的测量将帮助科学家了解火星是如何演变成现在这个样子的。

鼹鼠的地下探测和火星地面的天气没有关系,科学家们可以通过这样的方式测出钻地时所获取的温度变化。那么,地球上的热量流动之谜或许也能追踪到了。同时,还能对人类理解火星怎么演变成现在的火星具有尤为重要的意义。

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两周前,洞察号将这颗正式名字为热流和物理特性探测器的“鼹鼠”仪器放置在了火星表面。但是这个仪器的研发已经花费了大约十年,所以科学家们急切地想知道它能收集到什么数据。

InSight着陆器(包括了地震调查、热量传输和大地测量三个部分的内部探索)本身是一个静止的探测器,该任务的主要目的也是探测研究火星的内部,是一个相对固定的任务。了解火星的成分及火星的构造活跃度,是它的基本科学目标,该任务的总费用也达到了8.14亿美元之高。

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第二个来源是一种时间释放现象,科学家认为这种现象在地壳中最为强烈:放射性元素,铀、钍和钾之类的放射性元素会衰变并释放热量。斯姆雷卡尔说:“我们最希望了解的就是这些放射性元素在火星的浓度。”

5,InSight任务的发展历程和重要意义

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“鼹鼠”之所以得其名,是因为它会用锤子砸穿火星表面的风化层,推开泥土和岩石,把自己置于火星地下,如果一切顺利的话,它最终将能到达16英尺深的地方。悬挂在“鼹鼠”仪器后面的是一根装满传感器的绳子。

第二种是HP 3,这是一个物理性和热流探头,可以钻入地面大月5米的距离,主要是用作感知火星地下的热量变化,然后将收集到的数据返回。

一旦掌握了“鼹鼠”的数据,科学家们将会了解它可以告诉我们关于火星的什么信息。斯姆雷卡尔说:“也许火星会给我们带来惊喜,科学实验中总是会有最有趣的结果——当你得到了意想不到的东西的时候。”

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但这个“鼹鼠”仪器谦逊的外表掩盖了研究小组为行星科学开发新工具所做的大量工程工作。哈德森说:“我们正在进行一种新型的调查。”科学家们已经对月球进行过热流测量,但那些数据是在阿波罗计划期间通过宇航员的工作收集的。“他们用复杂的设备和大量的体力完成了那些测量。”

2010年,美国宇航局首次提交InSight任务,是当时下一次探索级任务的28个之一,都是低成本的太阳系探索任务。2015年12月,因为地震实验泄露导致其无法按原定计划启动。这一次的仪器重新设计不仅导致了时间的延迟,也让相应的成本增加了。

哈德森说,所有这些科学都依赖于一种在实际应用中并不是特别令人印象深刻的仪器,这是基于他观察地球原型的经验所得出的结论:“老实说,就算你真的能看到这种仪器运作,看着它也会有点无聊。”

待InSight任务测量出火星的其他特征,再加上这些浓度被科学家们确认,那么这些值将可以构造出一个模型,于是,科学家们可以通过这些模型,评估出火星不同场景的形成方式。

“如果是在月球上的话,它可能无法完成它的工作,至少按照这种特殊的设计来说,”哈德森说,这是因为月球和火星的风化层非常不同:前者受到了非常多的撞击,以至于“鼹鼠”根本没办法将泥土和岩石推到一边往地下钻。“就像混凝土,如果你想把什么东西塞进去的话,你就会发现根本没有孔隙空间。”

2018年12月11日,美国宇航局向我们展示了InSight着陆器的第一张自拍照片,包括很多符合复合材料和着陆器上的甲板(UHF天线、气象传感器和科学仪器)、电池板等。同时,InSight着陆器发回的52张独立图像组成了一幅马赛克,将航天器设置的相关科学仪器工作空间也进行了一并展示。

美国宇航局喷气推进实验室的仪器系统工程师特洛伊·哈德森(Troy Hudson)说:“不像照相机之类的其他东西,那些东西我们已经在不同的任务中搭载过数百次了,但我们以前从来没有过像‘鼹鼠’仪器这样的东西。”

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这是星际“鼹鼠”第一次钻入火星,也是第一个可以测量热量经过另一个星球的机器人。作为InSight任务的关键仪器之一,鼹鼠的构造自然是纯机械的。11月于火星降落,2月26日正常工作,这一次的机器人探测和以前的相机观察是有本质区别的,用准确的语言表达:鼹鼠,其实就是一个被放在火星表面的物理特性和热流探测器。

第三种是SESI(内部结构地震实验室),它的功能是探测陨石撞击、地震或者是内部岩浆运动的波动,根据不同的类型返回相应的信息。

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3、InSight火星着陆器的火星探索史

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通过InSight着陆器的探测,我们可以获取到更多火星相关的信息,比如,这片红色星球的内部到底有多温暖,具体有多少热量依然在流动,以及火星是否存在构造活动,这其中自然也包括地震活动的位置区域,甚至是陨石撞击火星地表的频率等,这对人类了解火星和宇宙科学的进步都有不可磨灭的意义。

对于鼹鼠能否成功的完成探索任务,就算是科学家们也没有十足的把握。尤其当鼹鼠遇到巨石的时候,这是它自身无法处理的,当它进入的越深,受到火星地面天气的干扰才越小,于是才能为我们带回更准确的行星内部温度流。

第一种是RISE(旋转和内部结构试验),它的核心任务是通过跟踪着陆器位置、识别火星轨道上的一切摆动,从而提供火星核心组成信息。

2018年12月4日,InSight着陆器拍摄到了一张壮观图像,照片呈现了它的前景地震仪和背后的仪器盖子,以及顶部机器人的手臂和位于左边的热探头。在它的两个广阔太阳能阵列中,有一个主导着探测器的火星之家(火星的极乐世界平原),就像我们在照片中看到的那样。

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