首页 > 科技资讯 > 美国“火星2020”任务实施方案深度解析
在过去的20年里,美国航空航天局(NASA)火星探索计划表明,火星曾经与今天这个寒冷、干燥的星球有很大的不同。其中,着陆和轨道飞行任务发现的证据显示,数十亿年前的火星环境是潮湿的。这些环境持续了足够长的时间,可能支持了微生物生命的发展。

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任务目标及策略

1  任务目标

“火星2020”(Mars 2020 )任务主要是了解火星的地质情况,并寻找古代生命的迹象。该任务将收集和储存一套岩石和土壤样品,这些样品可能会在未来返回地球。它还将测试新技术,使未来机器人和人类对火星的探索受益。

任务要达到的目标如下

(1)确定火星上是否曾经存在生命:Mars 2020 任务的“毅力”火星车的任务重点是研究火星表面环境,在古代火星环境中形成的岩石样品中寻找保存下来的生物迹象,这些岩石环境可能有利于微生物生存。这是人类第一次旨在寻找过去微生物生命迹象的火星车任务。在这之前的火星车任务是确认火星曾经有过宜居条件。科学家们确定的Mars 2020 任务着陆点的环境条件,可能包括曾经流动或竖立的岩石层。

(2)研究火星气候状况:“毅力”火星车的仪器会寻找过去可能存在微生物生命的古代宜居环境的证据。陨石坑和山脉中的岩层包含了火星过去的地质记录。

(3)研究火星的地质特征:“毅力”火星车的设计目的是研究岩石记录,以揭示更多关于随着时间的推移创造和改变火星地壳和表面的地质过程。火星表面的每一层岩石都记录了它形成时的环境。火星车寻找在水中形成的岩石的证据及其保存有机物的证据。

(4)为人类探索做好准备:“毅力”火星车会验证利用火星环境中的自然资源支持生命和制造燃料的关键技术。它还监测环境条件,以便未来任务的设计人员更好地了解如何保护未来登陆火星的人类探险者。这一科学目标与美国计划在21世纪30年代将人类送上火星的国家太空政策有关。曾前往火星的机器人任务建立了对环境的认识,并为未来登陆火星测试了创新技术。

2  任务策略

NASA对火星有一个长期而系统的探索计划。各火星任务相互依赖,前期任务中的发现和创新将指导后续的工作。火星任务由不断发展的、以发现探索为目标驱动的科学战略指导,这些战略保持了火星科学探索内容的连续性。

指导NASA火星探索的首个框架主题是“跟随水源”,即寻找水存在的迹象,因为水对宜居环境和生命是必不可少的。了解火星的地质和气候历史也很重要,可能会对未来的人类探索起到支持作用。

随着过去的轨道器、着陆器和火星车找到水的证据,NASA认为现在可以开始“探索宜居性”了,以寻找生命所必需的更多条件,包括人类所知的生命所必需的化学物质。2012年,“火星科学实验室”(MSL)任务中登陆火星的 “好奇”火星车取得一系列发现成果,也标志着可以过渡到“寻找生命迹象”这项探索工作中。因此,Mars 2020任务中的“毅力”火星车将不仅寻找古代火星上宜居条件的迹象,更重要的是直接寻找过去微生物生命本身的迹象,进行长期的机器人探索,并解决关于火星上生命可能性的天体生物学问题。

Mars 2020任务最核心也是具创新意义的策略是“站点缓存”。“毅力”火星车引入了一种钻头,可以收集最可能发现生命的岩石和土壤的岩心样品,并将它们放在火星表面的“缓存站点”中。这是一种新的火星车收集、存储和保存样品的能力,也是火星车首次携带钻头从火星岩石和土壤中提取岩心样品。在未来的任务中,会把这些样品带回地球。这将有助于科学家在实验室里研究样品。同时还会测试一种从火星大气中生产氧气的方法,确定水资源等,改进安全着陆技术,并确定影响未来航天员在火星生活和工作的天气、灰尘和其他环境条件等。

Mars 2020任务由美国加州理工学院位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气推进实验室(JPL)具体实施,并受NASA设在华盛顿特区的科学任务理事会管理。

Mars 2020任务充分继承了MSL任务及其“好奇”火星车经验证的着陆与探测技术。这有利于降低任务成本和风险。“毅力”火星车的远程移动系统允许它在火星表面行驶5~20km。

Mars 2020任务依赖于技术创新,特别是在进入、下降和着陆(EDL)方面。与MSL任务的“好奇”火星车一样,Mars 2020探测器也使用了有导航的EDL系统。Mars 2020任务着陆系统包括一个降落伞、下降级,以及一种被称为“空中吊车动作器”的机械,在着陆前的最后几秒钟,用系绳将火星车降到地面。这种着陆系统及方案提供了将一辆非常大的重型火星车降落到火星表面的能力,这种着陆设计使得“好奇”更精准。

“毅力”火星车增加了新的EDL技术,如距离触发器(RT)可提供提高打开降落伞的时间精度,以及地形相对导航(TRN)、EDL相机与麦克风等。TRN使得火星车探在穿过火星大气层下降期间测并避开危险的地形;麦克风允许工程师分析Mars 2020探测器EDL过程的性能,还可能捕捉到火星车工作时的声音,让工程师了解火星车健康和操作情况。

发射前准备工作

1  科学定义与仪器选择

NASA 对Mars 2020任务的前期规划主要是任务概念和要求定义(A阶段)、初步设计和技术开发(B阶段),完成这两个阶段后就开始进行科学定义和仪器选择。NASA选择了一个科学家团队来提出任务目标、所需的能力以及需要携带的仪器。

根据NASA科学任务理事会的既定程序,仪器选择过程首先是成立1个科学定义小组,负责总述Mars 2020的任务目标、火星表面工作、1套概念验证仪器,以及满足拟议目标的门槛科学评测建议。NASA接受或修改了这些建议后,就发布了机会公告(Announcement of OPPOrtunity)。NASA将按照科学任务理事会的既定程序,公开竞争任务特定科学有效载荷的机会。竞争团队中的科学家和工程师专注于设计符合既定标准的仪器。NASA从提交的提案中选择最佳选项。

为了充分开展研究,NASA开放了任务特定科学载荷的承担机会。2014年7月31日,NASA宣布了“毅力”火星车科学仪器入选情况。

2  着陆点选择

决定“毅力”火星车着陆点的关键问题如下:

(1) “毅力”火星车能在这个地点实现任务的所有科学目标吗?

(2)在这个地区的岩石记录中,是否有迹象可表明火星曾存在可支持微生物生命的合宜环境条件?

(3)该地区是否涵盖那些来自火星的、可能支持远古时代生命生存的岩石和“土壤”(风化层)?

(4)不同的地质和环境过程,包括与水的相互作用,是否随着时间的推移改变了这些岩石?

(5)该地点的岩石类型是否能够保存证明过去生命存在所需的物理、化学或生物学迹象?

(6)如果有一天可能返回地球,科学家们利用火星车缓存的样品进行基础性发现的潜力是否足够?

(7)着陆点是否有水资源(水、冰和/或含水矿物)可供火星车研究,以了解未来登陆火星的人类可能使用的水资源?

(8)火星车能在不面临重大危险的情况下从一个地方着陆到另一个地方吗?

基于以上,最终NASA选择了一个具有液态水历史的地方,从而符合Mars 2020任务着陆点选择的标准。

2017年2月8-10日,在“毅力”火星车任务第3次的着陆点研讨会上,科学家团队将NASA的“毅力”火星车着陆点范围从8个缩少至3个,即:哥伦比亚山的古瑟夫(Columbia Hills, Gusev)陨石坑、杰泽罗(Jezero)陨石坑、东北部流沙带(NE Syrtis)。

拍摄于2011年11月21日的杰泽罗陨石坑图像综合了NASA“火星勘测轨道器”(MRO)上的两台仪器,即紧凑型火星侦察成像光谱仪和场景相机。可以看出,火星曾经间断出现过有水的环境,至少有2次从火山口进水和出水。35亿多年前,河流溢出了陨石坑壁,形成了一个湖泊。古代火星上的水雕刻出了水道,并输送了沉积物,在湖盆内形成了扇形和三角洲。从轨道上获得的杰泽罗陨石坑光谱数据可知,这些沉积物含有证明水进行化学变化的矿物,沉积物中含有粘土和碳酸盐。

科学家根据数据推测,湖水干涸后,水将周围地区的粘土矿物带进了陨石坑。微生物生命可能在这些潮湿时期中的一个或多个时间段生活在这里,在湖床沉积物中可能会发现它们的遗骸。

3  测试与组装

火星车的隔热罩和后壳于2019年12月11日从科罗拉多州丹佛市的洛马公司航天事业部运抵肯尼迪航天中心。“毅力”火星车在JPL的航天器组装设施(SAF)洁净室建造和测试,并于2020年2月12日搭乘C-17运输机从加利福尼亚州飞往佛罗里达州航天港肯尼迪航天中心后不久,就被转移到该航天港的有效载荷危险服务设施(PHSF)进行拆箱。2020年1月,在PHSF内部对“毅力”火星车减速器进行了多项重要测试,包括测量旋转台上的重心和惯性力矩,以及升力活动等处理工作。

运载火箭发射计划

1  发射概况

Mars 2020任务设计的发射时间点是地球和火星处于有利于探测器前往火星并降落在火星上的公转轨道位置的时刻。这种相对位置使探测器从地球到达火星所需的发射能量最少。发射Mars 2020任务探测器的火箭使用“宇宙神”5-541运载火箭,与2011年11月26日发射MSL及其“好奇”火星车的火箭相同。

NASA已经成功使用“宇宙神”5运载火箭发射了多项深空探测任务:MRO(使用“宇宙神”5-401火箭),“新地平线”冥王星探测器(使用“宇宙神”5-551火箭),MSL(使用“宇宙神”5-541火箭),“洞察”探测器(使用“宇宙神”5-401火箭),“朱诺”木星探测器(使用“宇宙神”5-551火箭)等。

“宇宙神”5-541运载火箭是一次性运载火箭(ELV),不可回收再次使用。型号代号“541”中,“5”表示有效载荷整流罩或鼻锥的直径约5m;“4”表示用4个固体火箭助推器与通用芯级并排捆绑固定;“1”表示使用了单引擎“半人马座”上面级。

2  火箭一子级

“宇宙神”5-541运载火箭执行Mars 2020任务发射分为2级工作。一子级是通用芯级和捆绑的助推器点火工作,为火箭进入地球轨道提供动力。

火箭一子级的通用芯级长32.46m,直径3.8m。它有1个带节气门的RD-180发动机,该发动机来自由佛罗里达州Pratt & Whitney Rocketdyne公司和莫斯科的NPO Energomash机构组建的合资企业。热稳定的煤油燃料(RP-1型)和液氧在发射前不久被加注到圆柱形燃料箱中,圆柱形燃料箱约占火箭总高度的一半。通用芯级在节气门全开时可以提供高达3800kN的推力。

通用芯级上捆绑了4个固体火箭助推器,每个助推器长19.5m,直径155cm,提供约1360kN的推力。

3  火箭二子级

火箭二子级工作是指“半人马座”上面级点火工作,加速航天器脱离地球轨道,进入地火转移轨道,最后飞向火星。“半人马座”上面级点火2次,第1次点火是为了将火箭和航天器组合体送入低地球轨道,第2次点火是为了加速航天器离开地球轨道,前往火星。2个级间适配器连接了火箭的一子级与“半人马座”上面级。“半人马座”有1个可重新启动的RL-10发动机,该发动机由Pratt & Whitney Rocketdyne公司研制。这台发动机使用液氢和液氧提供动力,可以提供高达99.235kN的推力。“半人马座”可以精确地控制它的方向,这对于在发动机点火时控制推力方向非常重要。它携带有自己的飞行控制计算机,并能以所需的姿态和旋转速度释放有效载荷航天器。整个Mars 2020任务探测器安装在“半人马座”上面级顶部有效载荷整流罩内。

Mars 2020探测器

登陆火星方案

1  火星任务的进入、下降、着陆

Mars 2020任务采用了与“好奇”火星车相似的EDL过程。在EDL过程中,Mars 2020探测器采用了新着陆技术,包括RT、TRN、火星进入、下降和着陆设备2(MEDLI2),以及着陆摄像机和麦克风。

(1)距离触发器

RT是Mars 2020探测器用来计算降落伞展开时间的技术名称。RT作为新的精确着陆技术就是像是选择合适的时机扣动“扳机”,释放探测器着陆降落伞。

RT技术显着缩小了“毅力”火星车的着陆椭圆区域,使火星车更接近科学探索感兴趣的目标区域。图10示意了“毅力”火星车的着陆椭圆区域(红线)与“好奇”火星车的着陆椭圆区域(蓝线)之间的误差对比。但两者着陆地点并不相同,“好奇”火星车着陆地点在盖尔陨石坑。

之前任务中的火星车在研究目标区域附近着陆,但要花几周和几个月的时间才能行驶到主要目标地点。Mars 2020任务团队研究的RT技术及其着陆策略,让火星车着陆地点比以往任何时候更接近目标地点,将着陆椭圆区域面积缩小了50%以上。对于同样的区域,着陆于大椭圆区域比小椭圆更危险,因为其表面可能包含更多的危险地形和其他不确定性。

之前的任务中,探测器会尽可能早地展开降落伞。RT技术不是尽早打开降落伞,而是根据着陆目标的位置来打开降落伞,可以提前或延后打开,这取决于它离目标地点的距离有多近。如果探测器将要越过着陆目标,降落伞就会早打开,如果不到目标,降落伞将在更接近目标时展开。

RT技术可能会让“毅力”火星车到科学家们想研究区域的距离再缩短约10km,同时未来任务着陆时也可以更接近在地表储存了样品的“缓存站点”。这让科学家们可以进入更多的古代微生物生命环境地点。

(2)地形相关导航

TRN是一种创新的EDL技术,允许下降的“毅力”火星车探测到复杂的地形,并将自己转向更安全的着陆区。

在轨工作的火星轨道器拍摄并创建了包括已知危险在内的着陆点地图,“毅力”火星车将这张地图存储在它的计算机“大脑”中。在用伞降接近地表过程中,“毅力”火星车会拍摄快速接近的地表照片,并将照片中的地标与“大脑”中地图进行快速比较。如果它正驶向直径约300m的危险地面,火星车可改变方向在安全的地面进行着陆。

科学家最感兴趣的探测地点可能位于复杂的地形中,有特殊的岩石和土壤,可能保存着火星上过去微生物生命的迹象,但对于着陆而言风险很大。到目前为止,这些潜在的着陆点中有许多都是无法进入的。在过去的火星任务中,99%的潜在着陆区(着陆椭圆)必须没有危险的斜坡和岩石才能确保安全着陆。通过地形相关导航技术,“毅力”火星车可以在更多感兴趣区域着陆。

TRN技术显着改善了对火星车与地面相对位置的估计。在之前的任务中,搭载火星车的探测器系统在进入火星大气层之前以及进入期间,根据深空网络(DSN)提供的辐射数据,初步估算其相对于地面的位置。在之前,EDL的估算误差大约为1~2km,在进入大气期间估算误差增长到约2~3km。利用地形相关导航技术,“毅力”火星车在用降落伞降落穿过火星大气时估算自己的位置,以大约60m或更高的精度确定其相对于地面的位置。

(3)火星进入—下降和着陆设备2

MEDLI2是用于EDL的下一代传感器套件,以NASA 的MSL任务中飞行的1台仪器为基础。之前的仪器只收集了隔热板上的数据。MEDLI2可以在EDL过程中收集隔热罩和下降机体后部的温度和压力测量结果。这些数据帮助工程师验证设计的模型,以改进未来任务中的EDL系统。来自MEDLI2和火星车的地表气象站(MEDA)的大气数据可以帮助科学家和工程师了解大气密度和风,对于降低无人任务和未来的人类火星任务的风险至关重要。

(4)EDL相机与麦克风

Mars 2020系统有1套摄像机,可以帮助工程师了解EDL过程状况。Mars 2020系统设计中在“好奇”火星车基础上,增加了多个下降时使用的摄像头。相机套件包括:多个降落伞“仰视”相机、1个下降级“俯视”相机、1个火星车“仰视”相机和1个火星车“俯视”相机。Mars 2020 EDL系统还包括1个麦克风,用于捕获EDL期间的声音,如多个下降发动机启动时的声音。

除了提供工程数据外,摄像机和麦克风还被认为是“公众可体验的有效载荷”,可以让人们体验到自己乘坐飞行器到达地面的过程。一段描述“好奇”火星车2012年着陆时“恐怖7分钟”的视频曾广泛传播,但其中使用了大量计算机生成的动画。从来没有人看到过探测器系统在火星大气层中打开降落伞、用系绳将火星车从下降级着陆到火星表面、系绳被切断后火星车着陆而下降级飞离现场的过程。

2  火星表面工作策略与内容

“毅力”火星车着陆后,工程师会进行首次测试,以确保火星车处于“安全状态”。

“毅力”火星车使用“站点缓存”策略进行火星表面工作。在图11中,“红色×”表示着陆点。在主要任务期间,“毅力”火星车沿着实心白线行驶,在“蓝点”表示的“感兴趣区域”采集样品。1个感兴趣的区域作为保存样品(样品岩芯柱体覆盖的蓝点)的缓存站点。如遇到任务拓展的情况,火星车将通过虚线指示的路线往返于其他感兴趣的区域,以补充最初的样品站点缓存。

火星车在地面作业期间主要工作目标:一是寻找火星古代微生物生命可能生存过的环境下形成或进化的岩石;二是找到能够保存古代生命化学痕迹(生物特征)的岩石;三是从大约30个目标岩石和土壤(风化层)中钻探岩芯样品,并将它们放置在火星表面的缓存站点;四是测试从火星二氧化碳大气中生产氧气的技术,以支持未来的人类任务。

具体工作步骤如下:

第一步——找到引人注目的岩石:科学家们首先确定有希望发现生命迹象的岩石目标,选择范围主要是那些在水中形成或被水改变的岩石(这些岩石中有希望发现有机分子,它们是构成生命体的主要化学物质)。一些特殊类型的岩石可以保存数十亿年的生命化学痕迹。除了这些特殊的岩石外,火星车还收集火山岩和其他岩石,以帮助建立随着时间的推移而形成的地质记录和环境变化记录。

第二步——收集岩石样品:一旦科学家确定了感兴趣的岩石目标,“毅力”火星车就会从中钻取出一个岩芯样品,旋转冲击取芯钻头可穿透目标材料的厚度约为5cm。同时,火星车携带着样品预清洗管用来存放。

第三步——密封岩石样品:“毅力”火星车将岩芯样品从岩石上分离出来,并将样品盖上盖子密封在试管中。每个样品质量约15g。

第四步——携带样品:“毅力”火星车将每个密封的试管放在车上的1个储藏架上运输,直到地球上任务管理人员发送指令选择将其存放在火星表面。在“站点缓存”的策略下,任务管理人员决定何时何地离开试管。在基线计划中,火星车将1个或多个大组的样品放置在预先设定的站点。

第五步——缓存样品:“毅力”火星车将火星样品等放在火星地面的同一位置,以便未来的任务可以再次获取它们并将其带回地球。“毅力”火星车可以缓存超过30个选定的岩石和土壤(风化层)样品。火星轨道器拍摄的图像可以识别样品的位置,精确度约为1m,从而在未来任务中帮助将样品带回地球。

Mars 2020探测器结构

Mars 2020探测器系统由巡航级、下降级、减速器和火星车等部件共同组成,在穿过火星大气层时,它们会一个接一个地脱落,直到“毅力”火星车安全降落在火星表面。

1  巡航级

巡航级是用于Mars 2020整个探测器从地球航行到火星附近的结构体。

2  进入大气、下降与着陆系统

EDL系统是用于进入火星大气层的整体结构,包括减速器、降落伞、下降级,以及可用系绳将火星车降到火星表面的空中吊装机动结构。减速器由一个背壳和隔热罩组成,可以保护火星车免受进入火星大气层时所经历的高温。下降级通过反推发动机减速,并将火星车安全送到地面。

3 “毅力”火星车结构

“毅力”火星车是1辆装有科学仪器的6轮车辆,将从火星表面进行发现和采集样品。“毅力”火星车是基于MSL的“好奇”火星车配置,与“好奇”火星车的尺寸大致相同,大小与1辆普通汽车相近:长3m,宽2.7m,高2.2m;质量1025kg,比“好奇”重126kg。

“毅力”火星车前面的大型机械臂与“好奇”不同,主要有以下4点:

(1)“毅力”火星车将收集岩芯样品,并将其保存起来,以备未来带至地球研究。“好奇”利用自身的机载实验平台对现场收集的样品进行研究。

(2)“毅力”火星车有1个更大的“手”,或称钻塔(turret),在机械臂的末端。这个钻塔有取心钻头和2台科学仪器,外加1台用于近距离表面检查的彩色相机,可“自拍”用于工程健康检查。

(3)在“毅力”火星车车体内部有1个内部工作空间,专门用于在样品缓存系统内拾取、移动和放置钻头和样品管。除了“好奇”上使用的电动机之外,还需要新的电动机来驱动“毅力”火星车上这些特有的运动。“毅力”火星车的电机控制器电子设备在“好奇”的设计基础上进行了修改,以适应这些电动机。

(4)“毅力”火星车的工作方式将与“好奇”截然不同。“毅力”火星车将收集20个密封的火星岩石和土壤样品。这些样品将被放在火星上的缓存站点中。团队开发了驱动“毅力”火星车的新软件,该软件将在整个任务期间进行改进并进行更新。除了管理新的采样操作外,“毅力”火星车还可以更有效地管理所有日常活动,以安排好现场科学测量。为了做到这一点,“毅力”火星车的驾驶软件(移动的“大脑”)进行了升级,比“好奇”具有更大的独立性,可以覆盖更多的地表活动,而不需要频繁地询问地球上的控制人员。此外,工程师们还在其中增加了一个“简单计划器”程序。这将被更有效和自主地使用电力和火星车上的其他资源,允许“毅力”改变一些活动的时间,从而充分填补日常工作时间表中的空缺。

4 “毅力”火星车上携带的探测设备

“毅力”火星车将携带7台仪器在火星上进行前所未有的科学和新技术试验。

(1)桅杆变焦相机(Mastcam-Z)系统,具有全景和立体成像功能,并具有变焦功能。该仪器还将鉴定火星表面的矿物学机理,并协助火星车工作。

(2)SuperCam超级相机,可以提供远距离成像、化学成分分析和矿物学机理分析。该仪器还得到了法国国家空间研究中心(CNES)天体物理与计划学研究所(IRAP)的重大贡献。

(3)X射线岩石化学行星仪器(PIXL),是X射线荧光光谱仪和高分辨率成像仪,用于绘制火星表面材料的精细元素组成图。PIXL将提供比以往更详细的化学元素检测和分析能力。

(4)利用拉曼及发光原理探测宜居环境中有机物与化学物质(SHERLOC)光谱仪,包括1台高分辨率彩色相机,用于对火星表面进行显微成像,提供精细影像,并使用紫外线激光将矿物学和有机化合物绘制成图。SHERLOC将是第1台飞往火星表面的紫外拉曼光谱仪,并与有效载荷中的其他仪器提供补充性的测量。

(5)火星氧气就地资源利用实验(MOXIE)模块,将进行从火星大气中的CO2生产O2的技术验证。如果成功,MOXIE技术可以生产O2,作为未来航天员往返火星与地球之间的火箭燃料燃烧的氧化剂。

(6)火星环境动态分析仪(MEDA),是一整套测量温度、风速和风向、压力、相对湿度以及尘埃大小和形状的传感器。

(7)火星地下实验雷达成像仪(RIMFAX),这是一种探地雷达,将提供厘米级的地下地质结构分辨率。

5 “火星直升机”技术演示

(1)任务性质

JPL的工程师们研发了1款小型自主飞行直升机,将搭载于“毅力”火星车腹部,可“侦察”未来火星车任务的踪迹。主要任务是测试火星上第1次气动动力飞行技术,在30天内完成多次飞行。这将是人类第1架设计用于在火星稀薄的空气中飞行的直升机。

JPL负责管理“毅力”火星车和“火星直升机”任务,美国洛马公司的航天事业部负责提供“火星直升机”发射系统。2019年1月,“火星直升机”飞行模型在模拟的火星环境中运行。随后,直升机被送至洛马公司航天事业部进行与“火星直升机”发射系统的兼容性测试。

设计“火星直升机”并不是为了支持Mars 2020任务,而是1项完全独立的科学任务。在火星表面着陆后的几个月里,“火星直升机”将被放置在地面上进行测试,根据其性能表现考虑将小型直升机用于未来的火星任务。“火星直升机”可以作为机器人侦察员,从上方测量地形,或携带有效载荷进行完全独立的科研飞行,并发挥任务辅助作用。升至空中后,或将为科学家对观察火星地质提供新的视角,甚至可以窥探到那些因为太陡峭或太滑而火星车无法到达的地区。在更远期的未来,“火星直升机”可帮助航天员探索火星。

(2)工作目标

一是在火星稀薄的大气层中证明有动力的气动飞行可行性。火星重力加速度较低,约为地球的1/3,但其大气层的厚度只有地球的1%,这使得产生气动升力难度较大。

二是展示微型飞行技术。这需要缩小机载电脑、电子设备和其他部件的尺寸,以便直升机足够轻,可以起飞。

三是自主工作。直升机将使用太阳能为电池充电,并依靠内部加热器在寒冷的火星夜晚保持工作温度。在接收到通过“毅力”火星车中继的来自地球的指令后,“火星直升机”每次试飞都是在没有任务控制人员实时控制的情况下进行的。

Mars 2020任务的

深空通信

NASA JPL负责管理支持美国深空探测任务的DSN。DSN为NASA的所有星际探测器提供无线电通信,还用于射电天文学和太阳系的雷达观测。Mars 2020任务同样也使用DSN。DSN是一个全球分布的天线网络,由地球表面3个相隔约120°的深空通信地面站组成,分别位于美国加利福尼亚州莫哈韦沙漠的戈德斯通、西班牙马德里附近和澳大利亚堪培拉附近。该部署建站方式可在地球自转情况下,与远在深空的星际探测器持续通信。与之前的火星着陆器和火星车一样,Mars 2020任务依赖于绕火星轨道运行的航天器,也即火星轨道器,将数据从火星地面上的火星车中继转发到DSN的地面天线上。

DSN Now平台显示了由DSN地面站提供的实时数据,每5s更新1次。如果1个或多个地面站(共3个)的所有天线都未显示在运转,则可能是在全球停机维护,或者现在DSN Now平台的数据通道出现临时故障。

美国DSN的大型天线提供与火星探测器和太阳系其他天体的双向通信。其中包括位于加利福尼亚州戈德斯通的DSN设施的波束波导天线,被称为“波束波导簇”。每个天线的直径为34m。这些天线是第1批采用波束波导设计的DSN工作天线,这种设计将天气敏感型电子设备放置在地下基座内,而不使用安装在中央的反馈锥体结构。地下基座的使用使维修、维护和升级相对更容易。这些天线可以满足各种深空任务的通信需求。此外,这些天线可以与34m长的高效率天线排列在一起,以提供与70m天线同等的通信性能。

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