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科學論:Curiosity 火星探測車(更新:成功著陸!)

Andy Yang
2012 年 8 月 5 日, 晚上 11:01
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史上最貴的火星任務 Curiosity(中譯「好奇號」)火星探測車,即將在本地時間今天中午左右開始它的「驚險七分鐘」,瞄準火星赤道附近的蓋爾撞擊坑進行著陸。無論是探測車的設計、搭載的儀器、進行的任務還是降落的方法,Curiosity 都是火星探測史上當之無愧,最有野心的一個計畫。在降落進入最後倒數的同時,讓我們一起來看看這台有高爾夫球車大的探測車到底厲害在哪裡吧!

更新:Curiosity 撐過了超複雜的著陸過程,在本地時間八月六的下午 1:33 順利著陸!Curiosity 並已傳回第一張照片,證明應該大部份的機具應該都是正常運作的。

什麼是 Curiosity?


Curiosity 原名「火星科學實驗室(Mars Science Laboratory),是美國太空總署(NASA)的第三代火星探測中,也是目前為止最大的一台。第一代的旅居者(Sojourner)探測車大約只有台微波爐大,隨著火星探路者(Mars Pathfinder)任務一同於 1997 年著陸火星,主要是做為技術測試平台使用,為後來的任務鋪路。旅居者一共在火星上跑了 83 個火星日1,總行進距離約 100 公尺左右(但從沒有離開 Pathfinder 的周圍),拍回了 550 張的照片。

第二代的火星探測車,就是精神號和機會號這兩個我們網站的常客。兩台探測車長得一模一樣,在設備完全開啟時高 1.5m,寬 2.3m,長 1.6m;是相當大台的探測車,也是首個沒有「基地」,所有的通訊、儀器全部帶在車子上的火星探測任務。精神號和機會號以長壽出名,靠著地球上科學家的努力,2004 年著陸的精神號一直撐到 2010 年三月才壽終正寢,任務總長是預定長度 90 火星日的 21.6 倍;而晚它三禮拜著陸的機會號,則依然在火星上努力著,目前在一個名為奮進撞擊坑的隕石坑附近徘徊觀測,總共行進的距離已長達 34.5 公里。

有這麼些名聲顯赫的前輩,Curiosity 肩上的壓力自然不小。做為第三代的機種,Curiosity 有著從精神號和機會號上學來的大量經驗供參考,而設計上最主要的差異,就是將電力的來源從太陽能換成了核熱能 -- 精神號和機會號因為天氣的緣故常常太陽能板上會積沙塵,讓科學家們常常不得不精打細算地計算每天可以跑多遠、開多少儀器,而採用核熱能的 Curiosity 就沒有這個麻煩,不論什麼天氣、季節都能正常運作。此外,Curiosity 比前輩們又要大上不少,長度有三公尺左右,重量更是重達 900 公斤。這體型和輪胎大小,意味著 Curiosity 每小時最多能跑 90 公尺,並翻過高達 75 公分的障礙物。

Curiosity 的任務是什麼?


好奇號的基本任務和前輩們並無二致,只是因為它的體型,所以能對更大的範圍做更詳細的研究。在地質上分析火星的地形和礦物,以判斷火星的過去和現在是否有水的存在,以及水是否在地形形成的過程中扮演著角色;在氣候上分析火星大氣的歷史;當然還有最重要的,試圖找出火星是否有生命存在。除了這幾個之外,Curiosity 還在飛向火星的路途上測量受到的總輻射強度,做為未來人類探測火星時的參考。

Curiosity 的電力來源是什麼?


Curiosity 的 RTG 模組

前面有提到 Curiosity 的電力來源不是太陽能,而是「放射性同位素熱發電機(Radioisotope Thermoelectric Generator,簡稱 RTG)」。Curiosity 的 RTG 其實與其說是發電機,它和電池還比較接近,利用鈽 238(這是一個沒有核分裂能力的鈰同位素)在自然衰變的過程中釋放出來的熱,再轉換成電力來發電。Curiosity 上的模組在任務初期可以可靠地在任何狀況下提供約 125 瓦的輸出,這個數字會隨著燃料的衰變而逐年降低,但 14 年後應該還有 100 瓦。這讓 Curiosity 任務期間的每日總發電量大約在 2.5 度(瓩小時)附近,比精神號和機會號的 0.6 度要高出許多。

Curiosity 帶了什麼設備?


Curiosity 的主控電腦採用的是以 IBM 的 PowerPC 750 為基礎的 RAD750 處理器,時脈大約是 200MHz,一共有 256K 的 ROM、256MB 的 RAM、2GB 的快閃記憶體。這規格好像和前兩年的低階手機相當,比現在的智慧型手機是要弱多了。但你的手機上不了太空,是吧?


至於相機,Curiosity 帶了四個,都是採用相同的 1600x1200 畫素感光器,並且有 720/10p 的錄影能力。裝在立著的桅桿上就有兩個,一個中焦段定焦、一個望遠定焦。本來承包商開發好了變焦鏡頭的,但可惜因為測試時間不足,最後沒能安裝上去。第三顆裝在延伸出去的手臂上,是一顆用來近距離拍攝石頭用的微距鏡相機;而第四顆則是裝在 Curiosity 的肚子底下,司職在降落過程中持續拍攝下方的地形,在整個過程中最多以拍到 4000 張相片,做為之後在火星上漫遊時的參考。此外,Curiosity 還有在四個角落各裝有一顆避開障礙用的黑白攝影機,以及在桅桿上有另兩個黑白的導航用相機。


科學儀器的部份,Curiosity 有四個光譜儀,包括首見的鐳射光譜儀,用高能鐳射在遠達七公尺外氣化分析目標,在分析過程中發出的強光;另三個是比較傳統的 Alpha 粒子 X 光光譜儀、分析晶體結構的 X 光散射分析設備、以及分析氣體用的氣相光譜儀。這些儀器提供了 Curiosity 地質分析的能力,而其他器材則以大氣分析及天氣紀錄為主。

Curiosity 的降落過程是什麼樣子?


如同前面所說的,Curiosity 著陸的過程被 NASA 稱為是「驚險七分鐘(Seven minutes of horror)」,因為從火星大氣層上空開始到著陸為止,一共只有七分鐘的時間,但是地球上的訊號要抵達火星卻要 14 分鐘 -- 換言之,等到地球這邊得到確認 Curiosity 已經開始著陸的同一時間,Curiosity 究竟著陸成功與否就已經是定數了。整個過程當中地球人是完全無能為力,只能看 Curiosity 上的自動系統是否能順利完成工作。

基於 Curiosity 的體型和重量,前兩代車子使用的「安全氣囊彈跳著陸法」已經不適用,而傳統的火箭反推著陸法則因為擔心揚起的粉塵會損壞儀器,也被放棄。因此科學家不得不重新為 Curiosity 設計一種複雜無比的新著陸方式。


第一步是利用火星的大氣層來減速 -- 這部份和地球上載人火箭返回時的方法沒有什麼不同,一個特別設計的隔熱盾在降落的過程中提供保護,將外面高達攝氏 2100 度的高溫隔離。從 80km 的高空,一直到 11km 的高度為止,都由隔熱盾產生的阻力來減速,同時提供一定程度的導航,可惜火星的大氣密度終究是不如地球,無法像太空梭那樣滑翔著陸,因此下一步就要靠降落傘來接手了。


但 Curiosity 的降落傘也不是什麼普通的降落傘,而是可以撐著兩倍音速的壓力的特別設計。這個降落傘與前一代的設計相同,但面積大了一倍多。到了 8km 的高度時,Curiosity 已經被減速到約每小時 500 公里的時速,此時下面的隔熱盾會脫離,露出前面提到,負責拍攝地面景象的相機和六道測量高度的雷達波。這些雷達波提供的高度數據對下一個階段來說至關重要。


隔熱盾脫離後約 80 秒,是這個著陸過程最刺激的部份 -- Curiosity 脫離降落傘,開始自由落體。此時的高度約為 1.6km,時速大約是 225 公里左右,載著 Curiosity 的著陸裝置在離開降落傘一小段距離後會先發射橫向火箭,避免進一步減速的過程中和降落傘又撞在一起,隨後發射向下的垂直火箭,將 Curiosity 在離地 20 公尺左右時進一步減速到基本上接近飄浮在半空中。

如果是傳統的火箭著陸的話,只要一直發射到落地就好了,但 Curiosity 為了避免儀器受損,還不得不再經過一道程序 -- 這時候,一組長長的纜繩會開始將 Curiosity 垂吊下來直到安然落地為止。得知 Curiosity 已經落地的著陸裝置這時候會自行斷開纜繩飛向一側,避免撞上剛降落的 Curiosity。最後再將電腦從降落模式切換成地表模式,就大功告成啦!

接下來呢?


目的地的蓋爾撞擊坑

從上面的描述,就可以大概了解到整個過程的複雜與技術上的困難。假設真的一切順利的話,在地球上的我們會約近 14 分鐘後收到第一份確認訊號,但因為火星的自轉的關係,接下來地球就會「下山」,不再能直接與火星通訊,接下來的訊號都要經由在火星軌道的人造衛星代為轉發。Curiosity 接下來會在原地呆大概五天的時間將桅桿和機器手臂伸出、做自我檢查,確定沒有任何儀器或零件在降落的過程中受損、並且觀看四周,確定輪子底下的狀況。Curiosity 選擇的著陸點應該沒有什麼特別麻煩的地形,但如果運氣不好,剛好一隻腳放在顆大石頭上的話,科學家也要能研空出怎麼安全地將它開出來才行。最後,就是確認所在的精確位置(在沒有 GPS,天上的衛星也看不到它的情況下,這工作沒有想像中容易呢),然後就可以出發啦!

Curiosity 的主要任務期是一個火星年,或差不多地球的兩年(準確的說,687 天),以探測蓋爾隕石坑和週邊為主。當然,在這個階段沒人敢對 Curiosity 的未來打什麼包票,但考慮到機會號在八年後依然老當益壯,Curiosity 的未來應該很能令人期待才是。

不過這一切都建立在它能不能撐過「驚險七分鐘」的前提之下,所以 Curiosity,加油!

註1:一個火星日是火星自轉一圈所花的時間,比一個地球日略長一點點,大約是 24 小時又 40 分鐘左右。