火星科學實驗室

火星科學實驗室(Mars Science Laboratory, MSL)，又名：“好奇號”火星車。是美國國家航空航天局的2009年火星探測計畫的一個組成部分，大小是火星探測漫遊者勇氣號和機遇號的兩倍，重量是其三倍的火星科學實驗室將會採集火星土壤樣本和岩芯，然後對它們可能可以支持現在或過去微生物存在的有機化合物和環境條件進行分析。火星科學實驗室將於美國東部時間2011年11月25日10點25分（台北時間11月25日23點25分）在卡納維拉爾角空軍基地發射。

基本介紹

• 中文名：火星科學實驗室
• 外文名：Mars Science Laboratory
• 又名：“好奇號”火星車
• 時間：2011年11月25日10點25分

實驗室簡介

火星科學實驗室 (Mars Science Laboratory, MSL) 好奇號 (Curiosity)是美國國家航空暨太空總署 探測車計畫，於2011年11月25日10點25分（台北時間11月25日23點25分）在卡納維拉爾角空軍基地發射，預計在2012年秋於火星進行精準登入。 這輛探測車將會比2004年登入的火星探測車機遇號和勇氣號重三倍長兩倍。 比起之前其它火星任務，它將攜帶更多先進科學儀器。 國際社群將提供部份的儀器。 火星科學實驗室將由擎天神五號541型火箭發射。 一旦著陸，好奇號將會分析數十個樣本，從泥土挖出、從岩石中鑽取粉末。 預計將運作至少一個火星年 (約2個地球年)，比起之前任何火星探測車還要探測更廣大的區域。 它將調查火星維持生命的可能性。

火星科學實驗室

由兒童命名火星車是NASA的慣例。 2008年11月18日，一項面向全美五歲至十八歲學生的為火星車命名的比賽開始。 2009年03月23日至29日，普通公眾有機會為九個進入決定的名字進行投票，為火星車的最終命名作為參考。 2009年05月27日，NASA宣布六年級的馬天琪的「好奇」贏得了比賽最終勝利。

構成

火星科學實驗室主要由巡航級，進入、下降與著陸系統和好奇號漫遊車三部分構成。巡航級在探測器的星際航行階段發揮作用，最多能利用6次軌道正機會將探測器運送到設計的火星進入路線；進入、下降與著陸系統主要由隔熱罩、降落傘和空中吊車著陸系統三部分組成。隔熱罩主要負責隔離好奇號漫遊車穿過火星大氣層時所產生的高溫，降落傘主要負責將好奇號漫遊車的下降速度從2馬赫左右降到0.75米/秒，空中吊車主要負責幫助好奇號漫遊車以零速度登入火星表面。好奇號漫遊車車長3米，寬2.8米，高2.1米。機械臂長2.1米，車輪直徑0.5米，重899公斤，搭載10種探測儀器，分別為“桅桿相機”、“火星手持透鏡成像儀”、“火星降落成像儀”、“阿爾法粒子射線分光計”、“化學攝像機”、“化學與礦物學分析儀”、“中子反照率動態探測器”、“火星樣本分析儀”、“輻射評估探測器”和“火星車環境監測站”，能夠從物理、化學和生物等角度開展一系列科學研究。

目標

“火星科學實驗室”是NASA“火星探測計畫”（MEP）的一部分，所開展的任務均服務於計畫的四大戰略目標。這四大戰略目標分別為：

• 確定火星上是否曾經存在過生命；
• 描述火星的氣候特徵；
• 描述火星的地質特徵；
• 為載人探測做準備。

此外，“火星科學實驗室”還有一個特定目標，即確定火星的適居性。為加快推進上述目標的實現，“火星科學實驗室”定義了八大具體目標，分屬四大領域。生物領域的目標是：

• 確定有機碳化合物的性質與詳細目錄；
• 為構成生命的化學成分碳、氫、氮、氧、磷、硫編目；
• 識別可能表述生物過程的特徵。

地質與地球化學領域的目標是：

• 研究火星表面和近表面區域的化學、同位素與礦物學構成；
• 解釋岩石和土壤的形成過程。

行星演化領域的目標是：

• 評估長時間範圍例如40億年內的大氣演化過程；
• 確定水和二氧化碳目前的狀態、分布和循環過程。表面輻射領域的目標是確定表面輻射的廣譜特徵，包括宇宙射線、太陽質子事件和次級中子。

主要技術

可拼接擴展的隔熱設計

“火星科學實驗室”的隔熱罩使用了一種名為“酚醛樹脂浸漬碳燒蝕體”（PICA）的材料，且由27種不同形狀的共113片PICA隔熱瓦構成。與以往火星著陸器的隔熱罩相比，新型隔熱罩的技術進步主要包括以下兩個方面一是可拼接擴展。PICA材料曾套用整體成型技術在“星塵”彗星探測器的樣品返回艙上使用過，然而“火星科學實驗室”4.5米的直徑使得上述方案無法實施。“火星科學實驗室”的隔熱罩是世界上第一個拼接式熱燒蝕隔熱罩。拼接式的隔熱設計不僅滿足了“火星科學實驗室”對隔熱材料尺寸的特殊要求，而且為研製尺寸更大的載人或無人深空著陸器隔熱罩奠定了技術基礎。目前，“奧利安”載人探測飛船正計畫套用這種設計模式。二是可承受更加苛刻的進入環境。“火星科學實驗室”隔熱罩巨大的尺寸使其在進入過程中遇到的氣流由層流變為湍流，需要隔離的熱量增至以往的2倍以上，面臨的應力環境也變得更為複雜（以往的隔熱罩大都採用SLA 561V材料，而應力測試表明這種材料無法滿足“火星科學實驗室”可能遇到的剪下應力環境。事實上，發射前的計算機模擬研究表明，“火星科學實驗室”隔熱罩在2011年發射視窗承受的極限溫度為2090攝氏度，極限熱通量為226瓦平方厘米，極限剪下應力為490帕，極限壓強為0.332個大氣壓，極限熱載為6402焦平方厘米，而“火星科學實驗室”成功登入火星的事實表明，拼接式PICA隔熱罩可承受這一極端環境。

安全準確的著陸方式

“火星科學實驗室”的著陸質量達到899公斤，是有史以來質量最大的火星著陸器，目前的材料技術無法讓其像之前更小的著陸器一樣憑藉氣囊登入，只能尋求軟著陸的方式。“火星科學實驗室”在繼承此前火星著陸器降落傘和制動火箭減速技術的基礎上，設計了一種新型的進入、下降與著陸系統。該系統的最大亮點在於能將著陸器的著陸精度由150公里提高到20公里，這使“火星科學實驗室”在火星岩石等陡峭地面著陸的幾率大大降低，著陸安全性大幅提高。為了實現上述目標，NASA主要作了以下幾項技術創新首先，在進入階段，“火星科學實驗室”上配備的導航計算機能夠計算隔熱罩的位置和姿態信息，並根據計算結果自動發出指令，控制隔熱罩上的4組8台矢量發動機來修正著陸點。其次，在下降階段，NASA首次使用一種被稱作“空中吊車”的下降級助降。該系統配備的8台反衝推進火箭可消除火星上的風對著陸精度的影響，並讓好奇號漫遊車以零速度降落在指定位置。此外，在著陸階段，為了避免下降級上反衝推進火箭激起塵霧損壞探測儀器，在“空中吊車”和好奇號漫遊車組合體的速度降至約0.75米秒時，三個尼龍繩和一根電纜會將好奇號漫遊車從“空中吊車”中吊出，懸掛在下方。好奇號漫遊車接觸火星表面後，纜繩會被自動切斷，“空中吊車”隨後在距好奇號漫遊車一定的安全距離範圍外著陸。

靈活穩定的供電能力

好奇號漫遊車利用波音公司製造的“多任務放射性同位素熱電發生器”（MMRTG）供電，可避免太陽能供電因火星表面氣候條件惡劣影響任務完成質量等問題的發生鳳凰號著陸器和勇氣號漫遊車均由於太陽能供電受限導致任務終止。實際上，NASA利用放射性同位素熱電發生器（RTG）開展太陽系探測由來已久，例如阿波羅登月飛船、海盜號火星著陸器以及飛往太陽系邊緣的先驅者號探測器。但MMRTG比RTG以往的尺更加先進，主要體現在以下三個方面一是供電範圍更加靈活。的熱電偶內部充滿氮氣，這使其熱電轉換能力不受真空或行星大氣條件限制，可執行星際航行和行星表面漫遊等多種任務，並且可以分擔其他電源的供電壓力。此次火星探測任務期間，在火箭發射階段，MMRTG與箭上電池一同供電在星際巡航階段，MMRTG與巡航級太陽能帆板一同為組合體供電在好奇號漫遊車登入火星表面後，MMRTG成為唯一的電源海盜號的僅在火星表面供電。二是供電能力更加穩定。採用模組化設計方法，熱源模組與熱電偶模組內部均無活動部件，且熱電偶模組內部增加了彈簧負載固定機構。發射前的工程測試表明，能承受的隨機振動強度是以往測試結果最好情況的2.5倍以上。三是供電量更加充足。攜帶4.8公斤鈽238，熱源集成了個多用途熱源模組，熱電偶集成了個熱電轉換模組，在整個任務期間能將輸出功率保持在106~117瓦之間，並能為同時運轉多種複雜儀器提供能量海盜1號和2號功率均為70瓦。

自主快速的通信能力

與以往的火星著陸器一樣，好奇號漫遊車採用直接對地X波段和火星軌道器中繼特高頻UHF波段，負責大部分數據傳輸相結合的方式與地球進行數據通信。不同的是，好奇號漫遊車上安裝了一種名為“伊萊卡一精簡版”一的軟體無線電收發器，在“火星偵察軌道器”上“伊萊卡”軟體無線電收發器的配合下，首次實現了火星軌道器與著陸器之間的軟體無線通信。“伊萊卡”是一種由噴氣推進實驗室開發的軟體無線通信模式，專門用於行星著陸器一行星軌道器一地球間的中繼通信，其基帶處理完全用一個可重新配置的現場可程式門陣列實現，對其進行適當的再編程可以適應任何信道編碼、調製和數據速率。好奇號與“火星偵察軌道器”間軟體無線通信模式的優勢主要體現在以下三個方面一是可自主調節數據速率。“火星偵察軌道器”上的“伊萊卡”可根據與好奇號漫遊車上“伊萊卡一精簡版”之間角度和距離的變化指示後者選擇最優的數據速率，進而實現數據傳輸量的最大化。二是支持捷頻。前向鏈路的頻率範圍為一鄉匕赫，返回鏈路的頻率範圍為一兆赫，而傳統通信的前向鏈路頻率固定為兆赫，返回鏈路頻率固定為401.585265兆赫。三是數據速率高，最高可達2048千比秒，而傳統通信最高為256千比秒。

國際合作

這個火星車大小是火星探測漫遊者勇氣號和機遇號的兩倍，重量是其三倍的火星科學實驗室將會採集火星土壤樣本和岩芯，然後對它們可能可以支持微生物存在的有機化合物和環境條件進行分析。這個任務還將會得到國際許多國家的支持，俄羅斯聯邦航天局將會提供一個用於尋找水的基於中子的氫探測器，西班牙教育部將會提供一個氣象組件，德國馬克斯·普朗克學會化學研究所將會與加拿大航天局合作提供一個分光計。

火星科學實驗室

技術參數

質量: 大約3000千克 (包含推進劑)

發射日期: 2011年11月26日15:02

抵達日期: 2012年8月6日05:31

儀器

火星科學實驗室將攜帶10台科學儀器。

主照相機

馬林空間科學系統公司將為火星科學實驗室提供主照相機。照相機將具有彩色照片拍攝功能，同時可以拍攝高清晰度視頻。

主照相機是一部10倍光學變焦多譜立體相機，將能夠從火星表面發回高解析度多譜立體照片和RGB彩色視頻剪輯。

10倍光學變焦，60度視場，可以從1千米的距離觀察10厘米大小物體

火星科學實驗室

使用貝爾RGB濾鏡提供真彩色成像功能

使用多濾鏡組提供科學多譜成像功能

使用兩個獨立鏡頭提供立體成像功能

提供高清晰度視頻壓縮功能

基本參數 (設計目標)：解析度: 150微米/像素 (距離2米)，10厘米/像素 (距離1千米)

波長: 400納米—1000納米

視場: 6度—60度

點距: 7.4微米

壓縮: 硬體MPEG-2視頻壓縮 (I幀: 2比特/像素，P幀: 0.67比特/像素)

相機記憶體: 256 MB SDRAM, 8 GB 快閃記憶體緩衝區

質量: 1.86千克 (最佳估計值)

尺寸: 8x9.5x12厘米 (每個鏡頭)

功率: 13瓦特 (工作，每個鏡頭)，5瓦特 (閒置，每個鏡頭)

主照相機可以以10幀/秒採集壓縮MPEG-2視頻流，不需要探測器主計算機協助，視頻大小為相機內部緩衝區大小決定。