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楼主: hkhtg090201
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[任务跟踪] NASA2011年11月发射的火星科学实验室(MSL/Curiosity好奇):向夏普山进发

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Nighthawk 发表于 2009-6-12 16:21 | 显示全部楼层
老美的火星着陆器气动减速真是够简单直接的,出了黑障区后过一会儿直接引导伞带出主伞,这个冲击也太大了。为什么不引导伞先带出一个减速伞,最后开主伞。
cmj9808 发表于 2009-6-12 19:33 | 显示全部楼层
老美的火星着陆器气动减速真是够简单直接的,出了黑障区后过一会儿直接引导伞带出主伞,这个冲击也太大了。为什么不引导伞先带出一个减速伞,最后开主伞。
Nighthawk 发表于 2009-6-12 16:21

可能是因为火星大气比较稀薄,开伞高度比较低。MSL开伞时速度2 mach,高度6.5km,动压750pa。不过MSL项目论证时的确有双减速伞方案,分别在超音速和亚音速阶段开伞,超音速伞需要在更高高度和速度下打开。
 楼主| hkhtg090201 发表于 2009-6-15 18:47 | 显示全部楼层
12岁华裔学生命名NASA火星探测器
2009年06月15日 18:17  法制晚报

  本报综合消息 据美国侨报最新报道,来自堪萨斯州向日葵小学的华裔12岁学生马天琪,日前在火星探测器命名大赛中脱颖而出,并将亲手在将于2011年发射的火星探测器签上她起的名字“好奇”(Curiosity)。

  在谈到参加探测器命名活动时,马天琪说,她是听老师在阅读一份《时代周刊》的文章时,听到了NASA和迪斯尼联合发起的为火星探测器命名的征名活动。

  于是,“好奇”心很强的她便产生了参与这一活动的念头。“很自然我就想到了‘好奇’这个名字,好奇心是人类永不熄灭的火焰……没有它,就没有今天的我们”。

  让马天琪惊奇的是,自己的“好奇”之心竟然成为现实,竟能过五关斩六将,一路从9200多名参赛学生中脱颖而出,最终被NASA选中。 (钟新)
cmj9808 发表于 2009-6-16 11:30 | 显示全部楼层
巴黎航展的嘉宾
naugty 发表于 2009-6-30 17:48 | 显示全部楼层
美国新火星车将配备迄今最大的巨型隔热板
2009年06月29日 13:57:08  来源:新浪科技



    据美国宇航局太空网报道,美国宇航局的“好奇(Curiosity)”号火星车是一个汽车大小的火星遥控设备。为前往火星的探测器制造的有史以来最大的隔热板,现在已经造好,随时准备为“好奇”号保驾护航。
     在被称作“好奇”号的科学实验室火星车飞往这颗红色行星的过程中,这个巨大的隔热板将用来遮住它,把进入火星大气层里的炽热挡在外面。美国洛克希德马丁公司(Lockheed Martin)日前揭开了这个隔热板的神秘面纱,该公司去年把这个火星车的圆锥形后壳交给美国宇航局。     洛克希德马丁太空系统公司(Lockheed Martin Space Systems Co。)项目经理里克·霍德说:“火星科学实验室的减速伞是飞往火星的最复杂的太空舱。设计必须考虑到它的庞大体积和重量,它是被发往这颗红色行星的最大的火星车,需要降落在火星上的精确位置上。”
    “好奇”号的隔热板和圆锥形后壳是有史以来在这方面最大的。它们使该火星车的外壳宽达15英尺(4.5米),比以前的火星车使用的隔热板都大,甚至比把宇航员送往月球的“阿波罗”号飞船使用的隔热板还大。用来保护火星车“机遇”号和“勇气”号的隔热板宽8.5英尺(2.6米),“阿波罗”号使用的隔热板宽不足13英尺(4米)。
     这个新型火星车的大小跟一辆小型轿车一样,它在这颗红色行星上降落过程中,与火星稀薄的空气产生的摩擦力,可以使它外面的隔热板表面的温度升高到3800华氏度(2093摄氏度)。为了把高温挡在外面,这个隔热板是用一种被称作酚碳热烧蚀板(Phenolic Impregnated Carbon Ablator, PICA)的材料制成的。这是火星任务第一次使用这么大的隔热板。     酚碳热烧蚀板是由美国宇航局的艾姆斯研究中心发明的,这种材料作为美国宇航局回归地球的太空舱“星尘(Stardust)”号的隔热板,首次飞入太空。科学家利用“星尘”号太空舱收集一颗彗星的粒子,并于2006年把样本带回地球。
     美国宇航局为这个新“好奇”号火星车设计了复杂的着陆程序。该火星车进入这颗红色行星的大气后,将借助一个大降落伞和把它的隔热板及后壳扔掉,以减慢下降速度,然后再利用被称作“天空起重机(Sky Crane)”的推进器慢慢下降。这个起重机将利用电缆把该车放在火星表面,然后它会飞走,最后坠毁。
    “好奇”号预计将于2011年发射升空,它将扩大美国宇航局对火星的探索领域,并将有助于天文学家更好地了解这颗红色行星是否存在水。该火星车收集的数据,或许还有助于科学家弄清火星上是否存在生命,以及火星过去和现在的可居性问题。该火星车还将对这颗红色行星的气候及地质情况进行评估,为人类探索任务做准备。(孝文)
jingyan66 发表于 2009-9-22 17:56 | 显示全部楼层

太空机器人2.0:智能型火星车可自主决策

2009年09月22日



美国宇航局的下一代火星车-好奇号


新一代太空机器人的自主决策能力更强,可以更为独立地完成复杂的任务


虽然这些自动系统越来越先进,但若想成为像科幻作品描述的那种有意识的机器人,还有很长的路要走


  新浪科技讯 北京时间9月22日消息,据《新科学家》杂志报道,目前,各国探索太空的热情日趋高涨,美国宇航局也在加紧开发新一代机器人探测器----月球车和火星车,也就是所谓的“太空机器人2.0”,新一代太空机器人的自主决策能力更强,可以更为独立地完成复杂的任务。

  利用漫游车探索遥远世界

  有东西在动!尘土中一动不动的两个机器人发现了异常情况,其中一台六轮机器人将信号发给另一台停在岩石斜坡上的机器人。它们会拍照然后将信息发回任务控制中心呢?时间有限,它们还有一大堆工作需要完成,而且能量储备也在一点点耗尽,两个机器人必须在几秒钟内做出决定。它们该怎么办?

  今天,任务控制中心距离两个机器人只有10米----它们都在位于加利福尼亚州帕萨迪纳的美宇航局喷气推进实验室的一个车库里。工程师可以随时走进来,纠正机器人的错误。如果此次实验取得成功,两个机器人发现异常情况后,能够自行决定将图像传回基地,那么科学家距离实现美国宇航局未来目标又前进了一步,即利用智能太空探测器探索遥远世界,在很少或根本没有控制人员帮助的情况下,寻找水或生命迹象。

  美宇航局多年前便同其他太空研究机构一道,对这种自主任务进行了尝试。例如,1999年,美宇航局“深空1号”探测器利用智能导航系统寻找一条通往一颗小行星的道路——这一行程长达6亿公里。

  从2003年至今,美宇航局“地球观测1号”(EO-1)卫星上的一套自动控制系统便开始绕地球旋转。它协助“地球观测1号”卫星发现火山喷发和灾难性洪水,以便让这颗卫星可以拍摄到这些事件,将照片传回地面控制中心供科学家研究。今年10月左右,一套经过升级的最新智能软件将上传至美宇航局的一部火星车上,进一步提升其自我决策能力,令它可以独立寻找不同寻常的岩石结构。

  这一构想不是为了彻底让机器人摆脱科学家对其控制。不过相比以前,将机器人送入太空第一次变得如此容易,而且费用大大降低,所以,何不让它们变得更有效率呢?此外,机器人距地球基地越来越远,使得通过地面人员对机器人进行遥控变得越来越不切实际,因为指令从地球到达火星可能需要20分钟,而到达木星的几颗卫星更是长达一个小时。在这种情况下,我们应该开发什么样的机器人呢?

  首先,应该建造可以独立导航,对意外事件迅速做出反应、甚至在关键零部件失灵仍能继续工作的机器人。其次,训练行星机器人去发现岩石中的骨骼化石,而像将活细胞同土块区别开来这样的任务更是小菜一碟。美宇航局“机遇”号和“勇气”号是最接近具有大脑的太空机器人目标的两部火星车,尽管如此,它们的能力仍相当有限。自2004年1月着陆火星以来,它们不得不处理六项重大技术故障,比如存储模块发生故障,车轮陷进沙土等。“机遇”号和“勇气”号目前仍在火星上工作,将重要的地质数据传给地面任务控制中心的工程师,后者可以遥控对它们进行维修。

  依赖控制人员帮助

  美宇航局喷气推进实验室人工智能部门主任史蒂夫·陈(Steve Chien)表示,事实上,“机遇”号和“勇气”号只能独立从事一些简单的工作,比如,从A点移动到B点,停下来拍个照。此外,它们可以独立发现云团和称为尘卷风的小尘暴,还能保护自己免遭意外损坏的伤害——远离陡峭的山坡或大块岩石。至于更为复杂的工作,它们只能依赖于地面控制人员的帮助。

  这便是太空机器人的重大缺陷。美宇航局第一个火星漫游车“旅居者”号(Sojourner)在1997年的任务期间仅仅移动了100米,而“机遇”号和“勇气”号迄今行程已达24公里。在火星表面行进过程中,它们拍摄了很多地形地貌照片,但仍不能对这个红色星球做出全面的探索。资深电脑专家、美宇航局喷气推进实验室自动科学开发小组成员塔拉·埃斯特琳(Tara Estlin)说:“每发射一个探测任务,我们在火星表面都会走得更远。可有谁知道我们错过了哪些有趣的东西呢?”

  美宇航局并不期望由火星漫游车去记录下它们看到的一切事物,然后将其全部发回地面。它们毕竟没有从事这项工作的足够能量、带宽和时间。喷气推进实验室的科学家花费十年心血开发出一套新软件,令火星漫游车可以分析它们拍下的图像,独立决定哪些地质特征值得深入探究。实现这一目标的关键是一套名为OASIS的软件包,即机载自动科学调查系统。

  按照科学家的构想,在漫游车每天动身以前,地面控制人员会给OASIS软件包上传指令,使漫游车按指示对重点目标进行探测。这个目标可能是漫游车视野中最大块或最苍白的岩石,或是由火山喷发留下的有尖角的岩石。接下来,只要漫游车一拍照,OASIS软件包即通过特殊的运算公式对视野里的所有岩石进行甄别,挑选出指令名单中的那些目标。OASIS软件包不仅可以告诉漫游车哪些特征会令科学家感兴趣,还知道它们的相关价值:相比于表面粗糙的岩石,更应该对可能遭到水腐蚀的表面光滑的岩石展开研究,这有助于漫游车决定下一步该做什么。

  面临现实问题考验

  但是,科学家还需要考虑一些实际问题。当漫游车在崎岖的表面探索的时候,它们必须时刻清楚是否有足够的时间、能量和存储空间继续前进。于是,美宇航局喷气推进实验室的研究团队开发了另一套可以规划和制定活动日程的新软件。

  据悉,这套软件可以帮助漫游车安排活动顺序,以便它们可以安全地实现既定目标,沿途做出必要的日程更改。例如,在经过次优目标时,漫游车会决定是对其拍摄6张照片,还是拍摄几米外的更有趣的目标,因为完成后一个任务会消耗更多能量。

  为何要在那里停下来呢?OASIS软件包可以令漫游车独立识别最高优先目标,喷气推进实验室的研究团队决定开始下一步:让漫游车驶向令其感兴趣的目标,利用其携带的传感器近距离展开探测。为了做到这一点,埃斯特琳及其同事不使用OASIS软件包,相反,他们利用该软件包的数据,创建一个名为“搜集优先科学目标自主探索”(Autonomous Exploration for Gathering Increased Science,简称AEGIS)的新控制系统。这套系统在喷气推进实验室的测试中取得了成功,计划在9月下旬传输到“机遇”号探测器。

  一旦AEGIS系统载入,“机遇”号就能独立用其高清晰相机拍照,将数据传回地面,供地面人员分析——这将是电脑软件首次可以对在另一个世界表面的装置进行控制。埃斯特琳说,这仅仅是个开始,例如,喷气推进实验室和卫斯理大学的研究人员已联手开发出一套智能探测系统,可以让漫游车独立实施基础科学实验。在这种情况下,它的任务就是识别外星球岩石中的特定矿物质。

  这套探测系统由两个“支持向量机”(SVM)控制的自动化分光计(类似人工神经网络的装置)组成,已经应用于“地球观测1号”卫星上。新型支持向量机利用分光计进行测量,然后将测量结果同含有数千种矿物质光谱的机载数据库进行比较。去年,研究人员在《国际太阳系研究》(ICARUS)杂志上发表了他们的研究成果。该研究结果表明,即便在复杂的岩石混合物中,他们的支持向量机几乎每次都能自动识别黄钾铁矾的存在。黄钾铁矾是一种同热水泉有关的硫酸盐矿物质。

  研究项目无果而终

  虽然这些自动系统越来越先进,但若想成为像科幻作品描述的那种有意识的机器人,还有很长的路要走。在科幻作品中,机器人可以讲话,有各种感觉,还能识别新生命形式。史蒂夫承认,眼下,我们确实不能让机器人具有“新奇探测能力”,即在一堆岩石中挑选出具有特别形状的骨骼,更别提让它们发觉活的生物了。

  从理论上讲,像冰晶和活细胞这样结构复杂的自然物体的外形能以电脑编码的形式被描述出来,并嵌入软件库。接下来,机器人只需要用某些传感器对其拍照,比如具有足够放大倍率的显微镜,轻松完成整个任务。事实上,确认细胞是一项颇具挑战性的技术,因为细胞的特征或许难以捉摸。1999年,美宇航局资助了一个雄心勃勃的研究计划,试图发现外形、对称性或一系列组合特征这样的具体签名,是否是识别和归类结构简单的生物的关键。

  按照这一研究计划,科学家希望创建一个包括地球例证的大型图片库,指导神经网络去寻找哪些特征。不幸的是,该项目还未发现任何有用信息便匆匆结束。正如简单的测算不可能提供有关外星生命的确凿证据一样,大多数行星科学家都认为,单个机器人探测器的人工智能无论多高,也无法解开所有谜底。于是,喷气推进实验室的科学家提出让各个机器人小组携手合作,绕外星世界旋转,在表面寻找令其感兴趣的目标,然后相互通知帮助确定哪些特征值得近距离观测。

  这一模式仍在进行试验。2004年以来,从南极洲的艾瑞贝斯峰,到夏威夷的莫纳罗亚火山和基拉韦厄山,布设在火山周围的传感器一直在密切注视着可能预示火山喷发的突然变化。一旦发现异常信号,它们可以召唤“地球观测1号”卫星,这颗卫星利用电脑软件去规划飞越路线,并对目标区域进行筛选,如果晴空万里,它会录下图像并进行处理,然后将其发送给地面控制人员。

  探索任务成败的关键

  今年7月,15套探测器被安设在圣海伦斯山,这是位于美国华盛顿州的一座火山。这些探测器携带的传感器可以监控圣海伦斯山内部状况,相互沟通实时分析数据,召唤“地球观测1号”卫星拍照。如果发现地球轨道有异常活动,卫星甚至可以命令这十多套探测器聚焦于某个点。自动探测器网络可以为太空探索提供大量优势,比如帮助探测任务覆盖更大的区域,即便其中一两台探测器受损或遭到破坏,也能保证任务不会间断。

  这种方法还提高了数据处理能力,不同探测器携带的电脑可以协同作战,更为快速地处理数据。研究人员逐渐认为,一组组探测器的人工智能最终足以从事几乎科学家的所有工作,即便是在最遥远的太空。去年,在发表于《行星与空间科学》杂志的一篇论文上,一个由美国、意大利、日本三国科学家组成的研究小组提出了利用模糊逻辑(fuzzy logic)控制的自动探测器搜寻外星生命的新战略。所谓模糊逻辑是在20世纪60年代开发出来的一套算术工具,赋予电脑处理不确定事物的能力。

  他们的计划涉及三种探测器的使用:具有传感器的地面漫游车,用以发现水和潜在热源的迹象,比如地热口;在头顶漂浮的飞艇,帮助确定研究的最佳地点;拍摄火星表面图像的轨道器,与任务控制中心配合,将数据传回地球。研究小组认为,模糊逻辑是比神经网络和其他人工智能技术更好的选择,因为这种方法善于处理不完整的数据或模棱两可的指令。

  他们还表示,只要联合起来,上述三种探测手段的调查和推断能力同行星科学家不相上下。对火星任务的模拟实验似乎也证明了这一点:机器人在两次测试中均得出了与地球学家相同的结论。研究表明,这套系统从事对土卫六和土卫二的探测任务尤其有用,因为在距离地球如此遥远的星球,自主能力会成为任务成败的关键。

  对目标进行“定点”探测

  在喷气推进实验室,当天的机器人自动化实验即将结束。两个机器人正在依靠新软件改善相互之间的协调能力。实验的目标之一是分析两个机器人能否捕捉移动目标(这次实验是一个绰号“小个子”的遥控小卡车)的照片,通过延迟容忍网络(Delay-tolerant networking)将其传回“任务控制中心”。延迟容忍网络是用于数据传输的新系统。在未来实施的深空任务中,机器人会在更长距离行进中需要独立决策能力,因为地面发送的指令需要一个小时左右才能传给它们。

  由于行星不停旋转,会有一段时间没有任何通讯。延迟容忍网络依赖于一种“储存和转送”方法,这种方法有望为行星探测器和任务控制中心之间的联系提供更为可靠的手段。网络中每一节点——无论是漫游车,还是轨道器——会不断传输信号,直至将信号安全地传输给下一个节点。信息以这种方式到达目的地可能会耗费更长的时间,但是,最终结局是好的,毕竟信息会抵达目的地。

  这种办法看上去奏效了:两个机器人拍摄的照片均传送到“任务控制中心”,其中包括对“小个子”的广角镜头和高清晰近照。埃斯特琳对此欣喜万分。她说:“当我们大热天站在那里的时候,一只蝾螈快速地从岩石爬过。我禁不住想知道两个机器人是否能捕捉到这个镜头。此时,我想火星漫游车必须在尘卷风和逃之夭夭的两栖动物之间做出选择?史蒂夫向我保证,软件会指示漫游车根据两者的相对价值做出优先选择。我希望它选择蝾螈。哪怕外星生命有蝾螈一半害羞,我也希望漫游车可以快速行动起来,把外星生命的照片拍下来。”
cmj9808 发表于 2009-9-22 19:05 | 显示全部楼层
本帖最后由 cmj9808 于 2009-9-22 19:06 编辑

MSL,图片点击可放大


 楼主| hkhtg090201 发表于 2009-9-22 22:21 | 显示全部楼层
2009年09月22日

新一代太空机器人的自主决策能力更强,可以更为 ...
jingyan66 发表于 2009-9-22 17:56


没有最好,只有更好,我觉得智能机器人现在还处于太太初级的阶段。把人的思想变成软件代码,去分析那24片/秒的照片,要做到不错杀、不漏杀,可不是件容易事。
Nighthawk 发表于 2009-9-22 22:29 | 显示全部楼层
一看那几条下降级和漫游车的悬线,就觉得悬哎……万一没着地给切断了,欧,不堪设想……传感器一定不能出bug,不能犯polar lander那样的错误
着急上火1 发表于 2009-9-22 22:55 | 显示全部楼层
本帖最后由 着急上火1 于 2009-9-22 22:57 编辑
没有最好,只有更好,我觉得智能机器人现在还处于太太初级的阶段。把人的思想变成软件代码,去分析那24片/秒的照片,要做到不错杀、不漏杀,可不是件容易事。
hkhtg090201 发表于 2009-9-22 22:21

受制于火星车的承载能力,它的计算机不会太大,智商高不到哪去。

如果同轨道器的传输带宽可以保证,我想中央计算机可以放在轨道器上。即便动用百公斤的大型计算机,也不会把火星车压趴下,电源也够。将来电脑升级,也只用打倒轨道上即可,不用着陆。反正慢慢升级就是了。

如果对实时性要求强,也可以把计算机按在火星表面的基站中遥控火星车。缺点是供电量不如轨道器有保证,太大型的计算机撑不起来。

点评

这是完全不着调的评论。1、并不是计算机越大越智能;2、不可能把计算机放到轨道器上。  发表于 2011-11-20 10:36
gell 发表于 2009-10-4 10:44 | 显示全部楼层

非常科幻的美国好奇探测器登陆火星演示

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http://v.ku6.com/show/x_gZ6T1EhSk3gQxq.html
头像被屏蔽
a123s 发表于 2009-10-5 17:34 | 显示全部楼层
提示: 作者被禁止或删除 内容自动屏蔽
cmj9808 发表于 2009-10-5 19:36 | 显示全部楼层
本帖最后由 cmj9808 于 2009-10-5 19:38 编辑
2011年才发射啊 什么时候美国也向金星表面发射金星车啊
a123s 发表于 2009-10-5 17:34

金星车方案已经有了,但是没有足够的经费。因为金星表面的环境很恶劣,而且NASA在金星探测方面也不像在火星那样娴熟,这些都意味着$$$$$。下一个十年的flagship mission已经选定Jupiter-Europa Orbiter,这就意味着金星车至少要推迟到2020年以后。
相对于金星车,NASA更倾向于在金星表面取样后用气球送上高空进行样本分析,这样成本要低很多。
 楼主| hkhtg090201 发表于 2009-10-6 09:18 | 显示全部楼层
本帖最后由 hkhtg090201 于 2009-10-6 09:20 编辑

一个疑问:为什么最后要用系绳的方法着地?这样,增加了复杂度,相应也就增加了失败几率.直接喷气着陆不行吗?以后应该开一个专门讨论‘着陆方法’的帖子。
HaleBoppComet 发表于 2009-10-6 10:32 | 显示全部楼层
前苏联有过气球对金星的探测 俄罗斯和欧空局在失败的火星96中 法国也有火星气球的探测器跟随 当然前者成功 后者发射失败。
Nighthawk 发表于 2009-10-6 11:24 | 显示全部楼层
一个疑问:为什么最后要用系绳的方法着地?这样,增加了复杂度,相应也就增加了失败几率.直接喷气着陆不行吗?以后应该开一个专门讨论‘着陆方法’的帖子。
hkhtg090201 发表于 2009-10-6 09:18

直接喷气着陆比系绳更不安全,因为着陆器要精确地测量离地高度来决定反推发动机的推力状况,下降时裕量很小,一旦传感器出bug提前关机,就是美国火星Polar Lander那样的事故。而用系绳,上面的推进部分可以慢慢地下降较大的距离,等确认落地后切断系绳。我觉得是个很好的方法。

点评

非常同意你的观点!  发表于 2011-11-20 10:38
 楼主| hkhtg090201 发表于 2009-10-6 12:33 | 显示全部楼层
本帖最后由 hkhtg090201 于 2009-10-6 12:36 编辑

现在的雷达‘精确’、‘即时’测距还达不到要求啊。悬停系绳法,费燃料啊.
暗夜流星 发表于 2009-10-6 13:28 | 显示全部楼层
本帖最后由 暗夜流星 于 2009-10-6 13:46 编辑

我很好奇,金星车的温控怎么解决?
是不是用核动力带动特殊工质的空调,然后内部工作温度适当放宽?

补充:
查了查,和我的想法差不多,把金星车的电子系统尽量精简,放在一个釉子那么大的绝热舱里面,用核动力带动斯特林热泵排热,把绝热舱的温度控制在200度以下。
然后高空弄一个飞机,高级的电子系统放在飞机里面。

相比金星车,火星车算是很简单的了。

http://www.universetoday.com/2007/11/15/how-to-keep-a-venus-rover-cool/
http://www.newscientist.com/article/dn12905-antique-fridge-could-keep-venus-rover-cool.html







金星车方案已经有了,但是没有足够的经费。因为金星表面的环境很恶劣,而且NASA在金星探测方面也不像在火星那样娴熟,这些都意味着$$$$$。下一个十年的flagship mission已经选定Jupiter-Europa Orbiter,这就意味着 ...
cmj9808 发表于 2009-10-5 19:36
cmj9808 发表于 2009-10-6 16:17 | 显示全部楼层
5#那个方案里环绕黄色耐压壳的蓝色管道就是连接斯特林热机的排热通道,耐压壳内部使用毛细管道从电子设备导热,就像人体血液循环。另外耐压壳内抽真空以杜绝对流传热,这两种措施可以把耐压壳内温度控制在50摄氏度以下
jingyan66 发表于 2009-11-1 13:24 | 显示全部楼层

ZT火星探测风向标:从水到宜居环境

本帖最后由 jingyan66 于 2009-11-1 13:26 编辑


ZT:火流星

John Grotzinger 文 Shea 编译

寻找水一直是火星探测的指导方针。但未来的火星探测将从水转向对火星宜居环境的详细研究,期望能以此揭示出火星环境的历史、甚至是有关地外生命的新发现。

现在我们正处于火星探测的黄金时代。两辆火星车和三个火星轨道飞行器正在不断地分析火星过去以及目前的环境状况。这些探测任务都汲取了过去火星探测计划所取得的经验和教训,且都在它们既定的服役期内表现良好。每一个探测器都取得了令人印象深刻、有时甚至是令人惊叹的结果。对于所有这些火星探测器而言,它们在火星探测上所表现出的最显著一点就是彼此在战术以及战略上的高度协同性。对不同探测器所获得数据的综合分析使我们以前所未有的深度了解了从40亿年前就开始不断改变着火星表面的多种环境过程。

这些协同作战的探测任务给我们带来了许多出人意料的结果。现在我们知道,火星的表面已经在水的作用下变得面目全非。一些非常古老的玄武岩地壳提供了在火星历史上最早的20-30亿年里有水存在的证据,这些地壳曾经被有水参与的过程改变过,进而产生了多种不同的水成层状硅酸盐矿物。此外在一些地方还发现了沉积岩,在火星表面也发现了诸如冲积三角洲这样的地貌。在距离现在更近的火星历史中也显现出了有水存在的证据,但是这些水的分布没有早期的那么广泛。

无疑,水在塑造火星表面的过程中起了主导作用,尽管这一结论在科学上是令人激动的,但是它也使得所有的探测计划都采取了跟着“水”走的策略。对于计划于2011年发射的“好奇”号火星车(原名“火星科学实验室”)来说,这一策略将被细化成搜寻火星上过去以及现在的宜居环境。


[
图片说明]:火星车的比例模型。从左至右分别为火星探险漫游者(“勇气”号和“机遇”号孪生火星车)、火星探路者(中)和“好奇”号。版权:NASA/JPL

宜居性

大致来说,所谓宜居的环境并不单单指要有水的存在,还需要碳和能量。只有这样才能驱动生命体的新陈代谢,并且提供所需的有关物质。为了实现这一目标,“好奇”号是最佳的选择。它会搜寻火星岩石、土壤以及大气中的有机碳,测定岩石和土壤的矿物学差异,并且以从来没有的高分辨率拍摄火星地貌。它还可以在原地确定岩石和土壤的化学成分,或者是遥感远处岩石和矿物的化学组成,寻找岩石和土壤中的水,测量目前的环境变量,并且连续地监测太阳和宇宙的辐射。不过现在“好奇”号的最终着陆地点还没有确定,但是候选地点已经缩减到了4个:埃伯斯沃尔德环形山(24°S327°E)、霍尔登环形山(26°S325°E)、莫斯山谷(24°N341°E)和盖尔环形山(5°S137°E),这4个地点都拥有古代水成过程的清晰证据。

对宜居环境的探测是重要的一步,而不仅仅是为了寻找火星生命。尽管具有在岩石和土壤中探测复杂有机分子的能力,但是“好奇”号无法识别和现存火星微生物代谢有关的生物过程,也无法拍摄微生物或者微生物化石的照片。火星上复杂的有机分子有可能来自生命体,但是也有可能是由含碳的陨石带到火星上的。因此寻找这些有机分子中能把物理过程和生命迹象区分开的模式、结构以及化学成分就显得至关重要。“好奇”号将会探测分析特定的生命迹象,例如岩石中有机和无机碳的同位素成分、特殊元素和矿物的浓度以及特殊的岩石材质等。最后它还会探测火星大气中特定成分的浓度和同位素组成,例如最近在火星大气中发现了甲烷,而甲烷有可能就是由生命体产生的。

与以往以寻找过去和现在有水存在的证据相比,对于火星宜居环境的探究更具有挑战性,其主要原因是有机碳即便形成的时候非常丰富也极难保存。有机碳很容易就能被破坏,因此在含有各种氧化剂的火星表面环境下寿命很短。此外,即使生命迹象被包裹而形成了稳定的矿物,它也会在氧化剂循环的过程中被破坏。


[
图片说明]:火星探测器着陆地点分布图。蓝色圆圈代表已着陆地点,从左至右分别为“凤凰”号、“海盗”1号、火星探路者、“机遇”号、“海盗”2号和“勇气”号。黑色圆圈代表“好奇”号的候选着陆地点,从左至右分别为霍尔登环形山、埃伯斯沃尔德环形山、莫斯山谷和盖尔环形山。版权:NASA/JPL

如果火星上曾经存在过微生物,那么火星古代岩石中应该会保留有这些生命迹象。同样的过程也发生在了地球上。长久以来,研究地球早期地质学纪录的科学家就把注意力集中到了岩石身上,因为它们能在最大的程度上保存这些生命迹象。但是,使得环境可以承载生命的一些条件,例如水、氧化剂、热源、化学成分以及光照等,也会破坏这些生命迹象。因此鲜有能真正完好保存这些证据的环境。

“好奇”号对有机化合物的搜寻也因此变成了对有机物最佳保存地的搜寻。同时在地球上所获得的经验也不能作为唯一的参考,火星很可能具有其特有的能保存有机化合物或者是其他生命迹象的古环境。

环境记录

但是地球着实教会我们的一点是,即便在寻找早期生命迹象的过程中一无所获也不必灰心。古生物生命迹象的缺失会以对早期环境演化历史以及相关过程的了解作为补偿。对前寒武纪沉积记录的研究通常集中在对古生物的识别上,但是这些研究也揭示出了氧化状态、酸碱性以及矿物在海洋和大气中的长期变化。在火星上也许也能够获得同样的有关环境演化的历史。一个没有生物圈的类地行星的表面环境历史将是一个和地球历史进行比较不可多得的样本,这将帮助我们了解地球究竟有多特殊。记录下火星环境历史的岩石和矿物也可能保存有生物迹象。因此,“好奇”号在寻找火星生命迹象的同时也会探测火星早期的环境过程与历史。

“好奇”号4个候选着陆地点各自有着与众不同的地方,但是它们也有着两个重要的共同点(详见“火流星”网站之《为火星探测寻找最佳着陆地点》和《下一代火星车在哪着陆?》)。一是根据矿物学和/或者形态学特征这些地方曾经有水存在,二是当地存在几百到几千米厚的层序地层,这就意味着有沉积岩的存在。行星表面演化的历史记录大多就“书写”在这些岩石里,作用在行星表明的过程会在沉积岩中留下蛛丝马迹。在地球上的经验表明,沉积物和沉积岩可以高分辨率地记录下过去和现在的气候、构造以及生物学过程,并且提供在行星演化的过程中所出现的重要事件的信息。而在水中沉淀而成的沉积岩则尤为重要,因为它包含了从局部到全球和地质化学以及生物化学过程有关的元素与同位素变化的信息。尽管其他诸如火山地貌热液矿床中的岩石也可能会拥有和宜居性有关的信息以及保存较好的生命迹象,但是在地球上的经验显示沉积岩才是保存这些东西的最佳材料。


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图片说明]:由火星奥德赛探测器上的热辐射成像系统在白天红外波段下所拍摄的“好奇”号的候选着陆地点。从上至下分别为霍尔登环形山、埃伯斯沃尔德环形山、莫斯山谷和盖尔环形山。它们是探测火星宜居环境的最理想地点。版权:NASA/JPL/THEMIS

火星历史

法国小说家马塞尔·普鲁斯特(Marcel Proust)曾提醒我们,真正的发现之旅并不仅仅是寻找新的大陆,还需要有一双新的眼睛。得益于过去和现在的成像光谱仪以及高分辨率照相机,我们已经初步了解了火星表面环境的早期演化。接下去根据火星全球范围的矿物和地貌得出其详细的历史则是更为重要而巨大的一步。

现在认为,行星环境长期演化的秘密就隐藏在矿物组合的历史中。按照这个观点,古代火星的地壳先是被中性液体改变并形成层状硅酸盐矿物,然后又在酸性液体的作用下形成了大量的硫酸盐矿物,而硫酸盐矿物极有可能就是在先期形成的硅酸盐矿物的基础上形成的。

这个观点既具有创新性,又也许能解释许多现象。如果这一演化模型是正确的,那么这两种矿物会非常靠近。这也正是“好奇”号的着陆地点必须要能直接提供层状硅酸盐和硫酸盐矿物组合的原因。所有四个候选的着陆地点都含有层状硅酸盐矿物,而盖尔环形山则可能还拥有从层状硅酸盐转变到硫酸盐矿物的遗迹。然而,所有这些着陆地点都能为“好奇”号评估、发展我们对火星演化的认识提供机会。

对宜居性的关注使得“好奇”号兼顾了希望和前景。希望指的是也许可以找到生物学过程留下的些许印迹。而前景则是“好奇”号将会为我们带来有关火星早期环境演化的最新认识。单这一项就是价值连城的。

(本文已刊载于《太空探索》杂志2009年第9期)

出自:Nature Geoscience

发布日期:2009-04

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