美国新一代火星探测器好奇号

美国新一代火星探测器好奇号介绍

美国新一代火星探测器好奇号（见图1）将于明年11月25日到12月18号之间发射，并于2012年8月左右抵达火星。顺利着陆之后，好奇号将开展为期1个火星年（约2个地球年）的火星探测任务。好奇号的任务代号为火星科学实验室（Mars Science Laboratory），发射火箭为Atlas V 541。好奇号的主要目的是评估火星是否曾经有一个环境支持微生物生存和生活，如果具备这样的条件，好奇号将寻找火星上生命的线索。这将有助于人类更好地理解生命是否可能存在于火星上。

图1 好奇号火星探测器

好奇号比2004年登陆火星的机遇号要大两倍，好奇号的基本尺寸为：3米长（不包括手臂），2.7米宽，2.1米高。好奇号重达850kg，是机遇号的四倍。越障高度可达60cm，在平地上最快速度为4cm/s，每天可运行200m。

车轮直径50厘米（20英寸），两倍于目前在火星上的勇气号和机遇号。六个轮子分别具有独立的驱动马达。其中两个前轮及两个后轮装有转向电动机，这使好奇号能够原地旋转360°。好奇号的移动结构继承机遇号采用摇杆式转向悬挂系统（"rocker-bogie" suspension system），该系统主要是防止地形急剧变化对火星车本体姿态的影响，该系统能使探测器的越障高度提高一倍，并保证探测器在任何方向倾覆45°而不发生反转，但是，在软件设计中，火星车的倾覆极限被设定为30°

好奇号板载内存包括256MB的DRAM和2 GB的闪存及用于错误检测和校正的256KB的EEPROM，该探测器继承勇气号，携带一惯性测量单元（IMU）来获得自身的位姿。

火星车的电力将由放射性同位素发电机提供，放射性同位素发电机通过钚-238的放射性衰变实现发电。该发电机能够满足火星车一个火星年的电力需求。启动阶段，该发电机能够提供110瓦的功率输出为各个分系统服务。

好奇号上的仪器设备如图2所示。其主要的仪器包括：机械臂，岩石蒸发激光器和手部立体成像相机（MAHLI）。下面分别进行介绍。

图2 好奇号上的仪器设备

1.机械臂

好奇号探测器机械臂约2.3米长，该机械臂在两个地球年内的主要任务是从火星岩石内部取样然后将样品放到火星车的实验仪器中，该机械臂有5个自由度，分别是两个肩部关节，一个肘部关节和两个腕部关节，每个关节都装有热控装置以抵御寒冷。该机械臂的主体结构由钛合金制成，机械臂如图3所示。

图3 好奇号的机械臂

图3所示状态的机械臂并没有安装末端的平台（APXS），机械臂末端的平台是一个十字架形平台，类似人类手状结构，拥有各种工具，可以最大旋转350度。平台总重33kg，安装5个设备。包含一个冲击钻、一个带有放大功能的手部摄像头(MAHLI)、一个元素识别光谱仪（通过α粒子X射线简称APXS）、一个石头刷，以及一套具有铲、筛、分配功能的机构。该机械臂由位于帕萨迪纳州的MDA信息系统公司（MDA Information Systems Inc）空间事业部门负责制造和测试。

2. MAHLI（The Mars Hand Lens Imager）

MAHLI安装在好奇号手臂的末端，如图4所示，该相机与其他好奇号上的工程相机有很多大的不同：该相机是全彩摄像且焦距可调、配备灯光、可进行摄像，其微距功能很强大，可以接近到目标21毫米进行拍摄。该相机另一个非常重要并强大的功能是其立体拍摄功能，而它的立体拍摄的实现不是通过并排的两个相机实现的，而是通过一个摄像头拍摄完一张照片，通过机械臂的

小距离移动，再拍摄一张照片来实现的。由该相机拍摄的地球岩石立体图片如图5所示

图4 手部相机图5 由MAHLT拍摄的地球岩石立体图片

3.其他实验设备

好奇号上装有一套火星样品分析仪器组件（The Sample Analysis at Mars instrument suite简称SAM），该组件由NASA马里兰州戈达德太空飞行中心负责组装，SAM将成为一个自动化的移动实验室，包括质谱仪，气相色谱仪，可调谐激光光谱仪。SAM将分析火星岩石和土壤样品，通过寻找其中的有机化合物，对火星的碳化学进行评估。这个小型实验室还将确定除了碳元素以外的元素的化学状态，并寻找行星进化进程中的同位素示踪物。

好奇号充分利用其携带的10种科学仪器检查岩石，土壤和大气。其中一套激光蒸发仪器是最新的创新成果。该仪器发射一束激光在一定的距离内使岩石蒸发，其他设备将搜索岩石蒸汽中的有机化合物。岩石气化实验如图6所示。

图6 激光使地球岩石气化实验

火星科学实验室的另一个非常大的创新是其新一代探测器着陆系统，在进入火星早期，该探测器像机遇号和勇气号一样使用一个巨大的降落伞，在抛掉降落伞后，新型的火星着陆发动机将

通过绳索给火星车降速直到火星车着陆。该系统能代替以前的火星探测器安全气囊系统，并适合大而重的火星车，而且能够保证火星车能在比以前更小的着陆区域内着陆。该系统示意图如图7所示。

图7 新一代探测器着陆系统示意图

好奇号着陆示意图如图8所示，新的着陆系统的主要分为降落伞着陆阶段和火星着陆发动机着陆阶段。

降落伞着陆阶段：

飞船在125公里的高空以5.8公里每秒的速度进入火星大气层，240秒后距离火星表面10公里时降落伞打开，此时速度为470米每秒，经过28秒后烧蚀层抛弃，此时高度约7公里，速度为160m/秒，飞船雷达开始收集速度、高度、地形等数据。

火星着陆发动机着陆阶段：

77秒后降落伞和飞船背部壳体分立，只剩火星着陆发动机（MLE）和好奇号，此时距离地面1.8千米，速度为100m/s，当到达离地面20m时，8个发动机的4个点火并且火星着陆发动机通过尼龙绳索将好奇号放下，12秒后探测器着陆，着陆速度控制在0.75m/s，同时接触传感器动作，尼龙带及火星着陆发动机分离，然后飞走。

a）降落伞着陆阶段b）火星着陆发动机着陆阶段