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《科学24小时》

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旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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“好奇”号的一小步,人类的一大步

2012-10-09 20:03:24


/严天阳

 

2009 年一项面对美国中小学生的火星探测车命名赛中,6 年级华裔小学生马天琪脱颖而出,一举夺魁。她给火星探测车起的名字如今众人皆知———“好奇”。

 

42 年前,阿姆斯特朗的足迹第一次留在月球坑洼的表面时,他兴奋地对登月舱驾驶员说:“这是个人的一小步,但对人类来说是一大步”。就像曾经有人预言过,人类百米的纪录不会突破10 秒,或许阿姆斯特朗也不会知道42 年后的今天,人类的触角已经延伸到了距离地球5700 万千米的火星。这个长度是地球和月球之间距离的150 倍,人类为此已经奋斗了近半个世纪。

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北京时间2012 8 6 日,美国航空航天局(NASA)发射的火星探测器“好奇”号成功登陆火星,开始对火星进行探测。虽然这不是人类的探测车第一次成功登陆火星并进行研究,但是又有谁能够否认今天“好奇”号的一小步不会是人类的一大步呢?

8 23 日,“好奇”号完成了首次试车。这一小步真的很小,它缓缓地前进了4.5 米,之后顺时针转弯120度,又后退行驶了2.5 米,直接行驶距离只有7 米。也许,这7 米的路程只相当于我们平常走10 步而已。然而,大家要知道的是,它的前辈“勇气”号和“机遇”号在为期3 个月的主任务阶段一共只移动了不到1600 米,而“好奇”号已经在5 分钟内移动了7 米。同时,它将在一个完整的火星年,也就是687 个地球日的时间里,在火星崎岖的地面前进约20 千米。“好奇”号的一小步,将是人类历史上的一大步,它浓缩了许多科学家的智慧结晶。

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默默付出的辅助英雄

如果大家平常有玩DOTA,一定会知道这游戏中有一类英雄:他们包鸡包眼,让线让野,团战的时候冲在最前却毫无怨言。这就是辅助英雄,而“好奇”号作为一位后期需要执行重大探测任务的主角,它的身边也有一位辅助英雄,或许大家都不会知道它的名字———“天空起重机”。

曾经,“好奇”号的前辈们在火星上都是单打独斗,赤手空拳。终日孤独地饱受着火星沙石的冲击,默默地品尝阴晴冷暖。但这次不同了,在“好奇”号的着陆过程中,科学家们第一次使用了辅助设备助降———“天空起重机”。

它们俩以组合体的形式一同降落在火星,在经过大气摩擦减速和降落伞减速后,逐渐靠近火星表面。与此同时,“天空起重机”开启反冲推进发动机,进入有动力的缓慢下降阶段。当反冲推进发动机将这对组合体的速度减缓至0.75 / 秒之后,一种全新的落地方式出现了。“机遇”号和“勇气”号在着陆火星的时候,都利用反冲推进发动机作为辅助,在距地面一定距离后,关闭动能,自由落地。而“好奇”号的出场则优化了很多———“天空起重机”将它从机内吊出,并悬挂在下方,当距离地面一定高度后,缆绳会被自动切断。“好奇”号成功落地后,“天空起重机”将在距离“好奇”号一定安全距离范围内再行着陆。

也许有人会觉得,一个小小的着陆方式的改变真的会有这么大的影响吗?当然!“机遇”号和“勇气”号在落地时都曾受到不同程度的损伤,就好比你把一辆遥控赛车从高处丢下,它能完好如初么?这对火星探测器日后的研究工作会有很大的影响。其次,落地方式的改变意味着能源的节省。“好奇”号前辈们的能源在着陆时消耗了很多,这让它们的工作时间不得不减少。科学家们都希望效率最大化,发射一次火星探测器就希望它能尽可能长时间地工作,这样的科学探测效率才能达到极致。最后,这次“好奇”号以组合体的形式登陆,有了“天空起重机”相随,也就有了良好的后勤保障。倘若“好奇”号在探测过程中遭遇不测,“天空起重机”仍有机会将它得到的宝贵资料传回地球。有了一位默默付出的辅助英雄,将会事半功倍,就好似背后平添了无形的巨大后盾。

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好的装备是胜利的开始

笔者也跟大家一样,在闲暇时间爱玩玩魔兽世界。在魔兽世界里,人物的等级也许远远没有装备的等级来的重要。如果两个人物的等级相当,那么完美的装备压制将是取得胜利的重要关键。就此而论,“好奇”号因能源装备的优势而远超它的前辈了。

为了让太空探测器能更长时间地工作,科学家们早已绞尽脑汁。以往最常规的能源利用方式是在机器上安装太阳能电池板,包括“机遇”号和“勇气”号都是如此。然而火星特殊的地理环境决定了太阳能电池板终将被取代。

火星距离太阳2.27 亿千米,大约是地球到太阳距离的1.5 倍。在火星上,太阳能必定不会十分充足,光照也会受到影响。此外,使用太阳能电池板的火星车受制于火星季节变化,电池板提供的能量也十分有限。

“他山之石,可以攻玉”。“机遇”号和“勇气”号的探测火星之旅,使科学家们认识到能源利用方式存在的问题。而这一次,他们为“好奇”号装备了一台多任务放射性同位素热电发生器,简单的来说,就是核动力。有了核能的加入,“好奇”号如虎添翼。此外,取消硕大的太阳能电池板后,“好奇”号身手更加矫健。好的装备是胜利的开始,人们对“好奇”号的业绩将更有期待。

“好奇”号的核动力的组成部分主要包括:一个装填钚-238 二氧化物的热源和一组固体热电偶,这组固体热电偶可以将钚-238 产生的热能转化为电力。

核动力的使用不仅让“好奇”号的行动免受太阳光照的影响,更让它有了大展拳脚的空间。“好奇”号的核能系统设计使用寿命为14年,远远高于太阳能电池板,将为“好奇”号在一个火星年的探测活动提供充足动力。除此之外,由于“好奇”号承载了众多科学仪器和摄录装备,它的体重已远非其前辈所能及,达到了900 千克,与13 个成年人的体重相当。该系统不仅能保证诸多仪器同时运转,还能自如地拖着这“13 个人”前进。

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科学多面手

几年前,曾有一款风靡全球的益智游戏———植物大战僵尸,相信不少人都曾玩过。其中有一类植物大家都不会陌生,那就是“寒冰射手”。它射程远,射速快,威力大,还能减缓僵尸的行进速度,是实实在在的多面手。而此次“好奇”号出征火星,同样凝结了众多科学家的智慧。在探测火星的旅途中,它不仅充当了气象学家、物理学家、化学家、地质学家,同时也担任了摄像师和摄影师的重要角色。

在“好奇”号之前,所有火星车着陆器都没有安装可提取岩石内部样本的工具,“好奇”号的出现改变了这一状况———它可以利用机械臂末端的钻头钻入岩石内部取样。而“好奇”号携带的化学与矿物学分析仪,还将在火星上首次使用X 射线衍射技术分析样本,这将令“好奇”号本领远超“机遇”号和“勇气”号。

北京时间8 20 日,“好奇”号第一次向一块火星岩石发射激光束。激光能量将岩石中的原子转变成发光的离子浆。同时,“好奇”号用望远镜捕捉岩石上发出的火花,并用三个分光计对其进行分析。在这一过程中,“好奇”号携带的摄录工具也已把整个过程完整地纪录下来并回传给地球的科学家们。

其实无论是利用激光射击岩石,还是对岩石内部进行取样,亦或是分析岩石内部构成,这所有的动作都是为了同一个目标———探测火星上的岩石到底由何种元素构成。一旦科学家们掌握了火星岩石的具体信息,那么也就能推断出火星上到底存不存在生命迹象,火星是否真的适合人类居住。

“好奇”号在火星上走出的每一小步都将是人类的一大步。它将扩大人类对火星的探索领域,并有助于科学家更好地判断这颗红色行星是否存在水。“好奇”号在这颗红色行星上进行的一切活动,都将为人类探索深邃的宇宙做充足的准备。

人为什么是人,为什么从未中断过迈向宇宙的脚步?也许简单点来说,就是好奇!





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