火星探路者探測器

火星探路者探測器，是美國國家航空航天局的1996年火星探測計畫，於1996年12月4日用包括有效載荷支持艙PAM-D頂級的德爾他Ⅱ -7925運載火箭在卡納維拉爾角空軍基地發射升空。它的最大開發周期為3年，耗資1.5億美元，由加州的美國航宇局噴氣推進實驗室( JPL) 管理。火星探路者於1997年07月04日在火星表面著陸。它攜帶的索傑納號火星車，是人類送往火星的第一部火星車。

基本介紹

• 中文名：火星探路者探測器
• 外文名：Mars Pathfinder Detector
• 國家：美國
• 發射時間：1996年12月4日
• 發射場：卡納維拉爾角空軍基地
• 著陸時間：1997年07月04日
• 火星車：索傑納號火星車

簡介

“火星探路者” 探測器已於1996年12月4日用包括有效載荷支持艙PAM-D頂級的德爾他Ⅱ-7925運載火箭在卡納維拉爾角空軍基地發射升空。它的最大開發周期為3年，耗資1.5億美元，由加州的美國航宇局噴氣推進實驗室( JPL) 管理。

其任務主要是對可能用作未來科學登入器任務的一項關鍵技術和概念的工程演示。“火星探路者” 探測器也向火星表面設定科學儀器以研究火星大氣、地表氣象、地質結構和火星石塊土壤的元素成分，此外，還要放置一個地表自由漫遊的火星車，以便進行技術試驗和作為一個儀表釋放機構。

發射後，1997年7月4日，火星探路者探測器在經過4. 94億公里、7個月的漫長旅行後，終於到達了火星，並成功地在火星表面上的阿瑞斯谷登入。這是21年來人類首次把探測器送到火星表面。在這個期間，計畫有4 次軌道修正機動(TCM) 以微調發射路徑，利用NASA/JPL深空網(DSN) 的大反射面天線進行探測器的跟蹤、遙測和指令操作。在1997年7月4日到達火星時，其登入器進入火星大氣層，然後展開降落傘、火箭制動系統和氣囊以垂直軟著陸。此後，展開微型火星車，它至少工作7個火星日(一個火星日為24小時37分) ，如果登入器和火星車工作良好，則登入器能連續工作達一個火星年，火星車工作達30個火星日。

火星探路者探測器著陸

著陸的成功以及探測器上攜帶的一輛漫遊車的成功使用，對利用小型探測器進行行星探索的構想以及對美國航宇局今後的火星探測計畫都是一種極大的鼓舞。

這次著陸既標誌著火星長期以來無科學探測局面的結束，也將是美國航宇局今後10年一連串火星軌道和著陸探測任務的開始。在今後10年裡，該局將再發射9顆火星探測器，並將最終於2008年把多達1公斤的火星岩石樣本送回地球，從而將極大地豐富人類對該行星的了解。

一般來講，空間操作似乎基本都是按某一例行程式一步一步地進行的，而探路者的進入、下降和著陸過程卻不然。它採用了一些以前從未用到過的技術，包括直接進入火星大氣著陸(而不是先進入一條環火星軌道) ，複雜的下降飛行過程，被動式的氣囊著陸裝置和裝在四面體形星體一個側瓣上的一輛微型漫遊車。

從管理上說，僅用38個月的時間、利用有限的經費研製出來的探路者也有其獨到之處，做到了又快又省。該項目採用了積極的並行工程與試驗安排，滿足了很緊張的研製時間要求。它基本上可以算是噴氣推進實驗室完全按“更小、更快、更省” 的方針研製出的第一顆探測器，總費用2. 65億美元，包括著陸器與漫遊車的研製費、使用德爾他火箭發射的費用、任務操作費用和少量的跟蹤與數據支持費用。

火星探測器進入階段的穩定性

由於火星上存在大氣層，因此要實現火星探測器在火星表面的軟著陸，就可以充分利用其大氣對探測器實現氣動減速，使其在火星表面安全著陸，這也是俄、美實現火星著陸均採用的方法之一。其工作原理與太空飛行器繞地球軌道返回和著陸的過程相似。

探測器從進入火星大氣層開始，到在其表面安全著陸，一般可分為3 個階段：首先從進入火星大氣層，到下降到5~10km 高度左右，依靠探測器自身進行氣動減速；第二階段主要是降落傘進一步減速；最後是利用著陸緩衝手段實現著陸器的安全著陸。然而，由於與地球上的大氣相比，火星大氣密度非常稀薄。在離火星表面10km 高度處其大氣密度約為0.0065kg/， 而在離地球表面10km 高度處的大氣密度約為0.413kg/，即火星上的大氣密度要比地球上的小兩個數量級。因此，火星探測器在如此稀薄的大氣層里運動，為了充分發揮探測器自身氣動阻力的減速作用，為降落傘創造一個合適的開傘條件，一般要採用大鈍頭球錐形的外形設計，來提高阻力面積，如美國的火星探測器的半錐角均是70°。這種大鈍頭球錐形的外形結構又給探測器在進入火星大氣過程中的運動穩定性帶來了不利的影響，這是火星探測器氣動外形設計和進入軌道特性分析時必須要注意的地方。

進入過程中的運動穩定性是評估探測器氣動外形設計能否滿足任務要求的重要參考因素之一，同時也是進入器進行防熱結構設計、降落傘減速系統設計、結構和設備布局設計時必須要考慮的一個因素。

火星探路者著陸器

“火星探路者”在火星上著陸後將放一個機器人（漫遊越野車）以收集火星表面樣品，為人類登上火星尋找理想的著陸地點，考察火星表面一條幹涸的河溝。“火星探路者”探測器將用德爾他-2火箭發射，它由軌道器和著陸器組成，重800千克，其中著陸器重264千克。當“火星探路者”進入火星軌道後，便繞火星運行。在運行到火星北緯19.5°、西經32.8°上空時，軌道器與著陸器分離，軌道器繼續繞火星飛行進行考察，而著陸器則以15-20°角度和6.3千米125千米高的稀薄大氣層後，速度降為250米/秒，這是火星大氣阻力所致。打開一張直徑7.3米的降落傘，使著陸器的速度降至35米/秒。著陸器上的雷達高度計在距表面1.5千米時（速度為60-75米/秒）開始工作，當測到著陸器距火星表面300米時，其所帶的氣囊充氣，以便著陸器軟著陸；當距火星表面50-70米時，著陸器上的反推固體火箭點火工作，進一步減速。最後，著陸器在氣囊的保護下落到火星表面。

需要說明的是，著陸器的進入角（與火星表面的夾角）過平易從大氣層上反彈，過陡則難以提供足夠的時間完成全部進入、下降和著陸任務。氣囊可緩衝著陸器到火星表面時的衝擊。

著陸器擬在阿瑞斯穀穀口附近一條向外流的橢圓形河道處降落，之所以選擇這一著陸場是因為它離赤道近，陽光充足。另外，此處“海拔”低，能為降落傘減速和雷達高度表捕獲火星表面及測高爭取時間。落點誤差在100千米25千米橢圓範圍內。

著陸器是一個錐形四面體，觸地時四個表面的氣囊能吸收相當於3米/秒垂直速度和50米/秒水平速度下落時的衝擊能量，使落地時的衝擊力小於50克著陸後，不管著地的姿態怎樣，著陸器3個側面的三解開“花瓣”自動展開，露出著陸器內的各種裝置和安裝在一側“花瓣”內表面的微型漫遊越野車（因為是自動行走，用於蒐集火星原始微生物和原始微生物的化石，所以也被人泛稱為機器人）。這種設計能確保著陸器擺正位置。“花瓣”展開後的外露表面上還貼有砷化鎵太陽能電池片。關於叫做旅居者的微型漫遊越野車有不同說法，有報導說它是一種長0.66米，寬0.48米，高0.30米，重11.5千米的6輪車，也有報導說它是長、寬、高各為0.60米、0.46米、0.18米，重7.5千克的6輪車。其主要任務是勘探。它將在到達火星表面後的頭7天內在著陸器的四周完成工程和科學的基本使命。此後將到離著陸器更遠的位置去執行範圍更廣的任務（在離著陸器200米的半徑內活動）。

在越野車從著陸器開出後，著陸器便是一個自動操作的儀器工作站。它探測地個地區不同成分的岩石和土壤，該使命原計畫30天，後延長為1年，以蒐集因季節變化而不同的火星資料。其上裝有火星探路者成像儀（IMP）、α質子X射線頻譜議、大氣結構和氣象實驗裝置（AST/MET）等，通過17瓦固態放大器和X波段的低增益天線及雙軸高增益天線（HGA）通信聯絡，數據傳輸速率為700比特/秒。通信設備用100瓦太陽電池和銀鋅蓄電池供電。特別要指出的是，著陸器上的IMP是一個立體望遠鏡系統，它裝在一根可升降的桿上（能升到著陸器之上0.85米外），帶有方位和高低驅動機構，能看到整個著陸器和附近的火星表面。麵包箱大小的越野車上也裝有α質子X射線頻譜儀（APXS）和前視、後視照相機等，用鞭狀天線與自動操作的工作儀器站無線電通信，用車頂上的太陽能電池和蓄電池可供電17-30天。它與儀器工作站最大通信距離為500米，而這一距離越野車要走幾周才能到達。該車有長輪距、大扭矩的特點，能靈活爬上高15厘米的岩石，速度為1米/分鐘。它裝有一部自主式導航系統和使車體可以就地轉彎的獨立操縱的前後輪。它將使科學家首次有機會用設備在火星著陸場區附近漫遊，這對評價火星地殼構成很有用，能發現各式各樣的地殼岩石。其上的圖像顯示器與儀器站上的IMP共同研究火星表層與大氣之間的相互作用，APXS用於確定火星表面物質中除氧、氦元素以外的物質構成，它裝在越野車底盤上，能以各種角度和高度探測火星表面的土壤和岩石，然後通過X粒子與物質的3種相互作用關係分析探測。

探路者號探測器

著陸器所獲數據將通過軌道器中繼續傳到地球。科學家將根據傳回的圖像數據選一些岩石以便2005年運回。

後續工作

“火星探路者”計畫從提出到發射僅用了3年零2個月，費用不到1.5億美元（不包括發射費），體現了“更快、更好、更省”這一建造航天探測器的新思路。此後，還將發射數個“火星探路者”探測器，它們將組成“火星環境調查網”，用來全面觀測火星上的氣候變化和地質結構。到2005年，美國將用一飛船把其中的一個漫遊越野車採集的火星樣本帶回地球。

1998年，美國還將發射“火星全球勘探者-2”號探測器。它將在火星南極表面著陸，載有俄羅斯的著陸器和土壤探測器，這將是美俄“火星共同計畫”的開始。該探測器將用機械手在火星表面上挖出一條深溝，以測量火星土壤的硬度和尋找水源。所獲數據由探測器攜帶的一台法國無線電收發機傳回地壞。其上的兩架廣角照相機將通過攝製整個星球的季節變化情況提供火星的大幅照片，另一架高解析度照相機用於提供選定著陸區域的更為詳細的照片。

除了對火星自然環境探測外，科學家還擬在火星上尋找生命的蹤跡。至今，仍沒有發現火星上有生命的跡象。被稱為來自火星ALH84001隕石不能說明火星上有生命存在過，如有生命存在，它應深進而在地下，或有溫泉的地方。若真有原始生物在火星上進化過，可能會在古老的河床或溫泉處找到進化的蹤跡。因此。這些地方將是探測的熱點目標。