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毅力号在火星录到风声

2023-04-06 奇闻异事 437 作者:网友投稿

毅力号在火星录到风声

此图显示尘卷风相对于毅力号火星车的大小(图源:N Murdoch,法国国立高等航空航天学院)。 施普林格·自然 供图

中新网北京12月14日电 (记者 孙自法)火星上刮尘卷风吗?风有多大?风声如何?施普林格·自然旗下学术期刊《自然-通讯》最新发表一篇天文学论文给出了答案,研究人员在论文中描述了他们通过“毅力号”火星车麦克风意外记录到经过杰泽罗火山口的火星尘卷风的声音,这也是目前所知首次得到火星尘卷风的声音记录。

麦克风声压水平的频谱图,显示火星车泵谐波(图源:N Murdoch,法国国立高等航空航天学院)。 施普林格·自然 供图

论文作者团队进一步开展多传感器数据和建模的分析表明,该尘卷风宽约25米高达118米。这些发现或可改善人们对火星表面改变、尘暴和气候多样性的认识,可能影响太空探索。同时也表明,声音数据可用于研究尘卷风。

该论文介绍,尘卷风(Dust devil)即充满尘埃的旋风,在火星上很常见,它们是大气湍流的指标,是火星表面尘埃圈的重要提升机制。尘粒冲击与火星上漫游车的硬件退化有关,因而改善对尘埃提升过程的理解也会影响未来的太空探索。尘卷风的声音此前未得到记录,但它可以改进人们对火星风通量和行星气象学的理解。

火星车巡航相机拍摄的正面遭遇尘卷风的图片(图源:NASA,加州理工JPL,太空科学研究所等)。 施普林格·自然 供图

论文第一作者和通讯作者、法国图卢兹大学内奥米·默多克(Naomi Murdoch)和同事及同行合作,意外用“毅力号”上搭载的SuperCam麦克风记录到了火星尘卷风的声音,这场尘卷风直接经过了火星车。他们将声音记录和多传感器数据及建模结合,以描述火星尘卷风的特征。这些特征表明,这场尘卷风约25米宽(近10倍于火星车),至少118米高。

论文作者表示,随着“毅力号”任务的继续,更多麦克风记录或能提供与尘卷风的进一步邂逅,从而帮助研究人员进行火星不同地理位置、不同涡旋的比较研究。

毅力号到达火星时间

天问一号发回的首张近距离火星照片 | CNSA

火星,太阳系里的那颗红色行星,最近宾客盈门。

先是2月9日,阿联酋的希望号探测器抵达火星,制动进入环绕轨道。

1天后,中国的天问一号也顺利泊入环火轨道。虽然携带了着陆器和巡视器,但天问一号要先对火星勘察大约3个月,然后才会择机登陆火星。

北京时间2月19日凌晨4时55分,美国的毅力号抵达火星。与希望号和天问一号不同,毅力号并没有环绕火星,而是直接降落。

于是,2021年首场登陆火星大戏,将由毅力号火星车上演。

毅力号还携带了机智号无人机,这将是直升机技术在地球以外的首次应用 | NASA

黑色七分钟

登陆火星,绝非易事。

火星拥有大气,因此着陆器可以像在地球一样,使用空气阻力和降落伞结合的方式来减速。但火星大气十分稀薄,平均密度不足地球的1%。降落伞所能减到的最终速度依然很大,必须通过主动的动力制动减速,才能安全降落到火星表面。

根据着陆地区高度和地貌的不同,从进入火星大气层到最后落地,着陆器登陆火星的过程总时长仅为7-8分钟。

毅力号着陆的过程包括1000多个动作,这一切需要在7分钟左右精准完成 | NASA

而此时此刻,火星距离地球超过2亿千米,从地球到火星单程通信时延超过11分钟。这意味着,着陆器登陆火星的过程不可能由地球上人工控制,只能依靠着陆系统自主完成。

因此,登陆火星的过程又被描述为“黑色七分钟”,甚至“死亡七分钟”。

毅力号将直奔火星 | NASA

在抵近火星后,火星车会最后一次与地球通信,确保各系统正常工作。随后,提供通信和动力的模块脱离,火星车将直奔火星大气层而去。

在此过程中,姿态控制喷气发动机将开始工作,严格控制着陆轨迹的角度与方向。如果角度过大,闯入大气层产生的热量就会超过隔热层的极限,着陆器会烧毁;如果角度过小,着陆器则像打水漂一般会滑入深空,错过这唯一一次登陆火星的机会。

角度调整完毕,受到保护的火星车在火星上空约100千米处径直闯入火星大气层,速度超过5000米/秒。

“死亡七分钟”正式开始!

被严密保护中的毅力号冲进火星大气 | NASA

层层减速

距离火星表面45千米高度,火星车隔热层的热量达到巅峰,温度将达到惊人的2100℃。

在内部高科技保护和外部隔热层的巨大牺牲下,火星车所处的温度仅为10℃左右。

在这个过程中,大气也帮着陆器实现了减速效果,将它的速度降到450米/秒左右。

毅力号打开降落伞 | NASA

距离火星表面11千米高度,着陆器将打开巨大的降落伞,直径15米,高50米,是人类在其他行星上用过的最大降落伞。

降落伞撑开75秒后,火星车的速度终于降到了仅有90米/秒。

这已经是隔热大底和降落伞拼尽全力工作的极限,但依然快得足以让火星车摔得粉身碎骨。

还不够慢,需要进一步减速。

三代火星车尺寸对比,毅力号的大小与图中最右的好奇号相同 | NASA

这最后一步减速,不同的火星车可谓各显神通。

NASA的第一代旅居者号火星车,个头只有微波炉大小,以验证技术为主,由探路者号着陆器携带着降落到火星表面。

勇气号和机遇号火星车,型超过200千克,携带的仪器相对复杂,采用火箭反推和气囊弹跳完成最后的减速。

而毅力号,体型跟好奇号相当,重量超过900千克,必须动用NASA的行星着陆最高科技才有可能安全登陆火星。

这种黑科技,称为空中吊车。

空中吊车助毅力号最终减速 | NASA/JPL

空中吊车

空中吊车在2012年好奇号登陆火星时首次亮相,惊艳世人。毅力号火星车将使用同样的空中吊车技术,完成登陆火星的最后一步减速。

在与降落伞脱离之后,安装在毅力号上方的空中吊车将启动8枚强力反冲火箭,将降落速度减至几乎为0。这个过程中,火星车会被空中吊车护在中心。

靠近地面时,空中吊车低空悬停,用三根最长可达7.5米的尼龙绳将火星车悬吊下来。另外有一根“脐带”电缆与火星车相连,负责信号和控制指令的传输。

空中吊车技术帮助毅力号完成登陆火星的最后一步 | NASA/JPL

火星车的结构和动力系统逐渐展开,底部传感器通过“脐带”向空中吊车报告实时状态。一旦感应到火星车稳定触地,尼龙绳和电缆会在瞬间被切断。完成任务的空中吊车会用尽所有的能量,有多远飞多远,最终坠毁在远方。

整个过程就相当于把一辆家用小轿车从迪拜塔上扔下来后,中途启动空中吊车,悬停避障并稳稳地把小轿车安放在地,同时还不触发轿车的防盗报警系统。

难度之大,可想而知。

毅力号空中吊车技术会进行进一步升级 | NASA

不仅如此,由于毅力号的预定着陆区域处在远古河流的三角洲区域,地形地貌复杂,它的空中吊车还集成了高度智能,能够自主规避风险区域,选择最优路径,将火星车放到最理想的地点。

如果说好奇号的空中吊车可以将它从迪拜塔安全“扔到”地面上,那毅力号的空中吊车则可以将它精准“扔到”停车位里。

毅力号火星车的预定登陆地点 | NASA/ESA/Justin Cowart

毅力号降落在火星杰泽罗陨击坑内一处明显的三角洲冲积扇附近。数十亿年前,这里曾是一片泽国。如果火星上真的出现过生命,这里应该最有希望能够找到远古生命的遗迹。这也正是毅力号火星车前往那颗红色星球的首要目标之一。

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