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Richard A. Kerr 文 Shea 译

自发走到一起的行星科学家们正在为下一代火星车平安驶过资金的泥潭和科学的荆棘而不懈地努力……


[图片说明]:霍尔登环形山的红外图像,那里曾经有水从左下方流入。版权:NASA/JPL/UNIVERSITY OF ARIZONA。

谈到火星探测,地质学家热衷于岩石,而建造火星车的工程师们则正好相反。为此2007年10月底科学家们齐聚一堂来商讨美国宇航局(NASA)的下一代火星车“火星科学实验室”(MSL)究竟该在哪儿着陆(第二届MSL着陆地点工作会议,关于第一届会议的介绍可参见火流星网站之《为火星探测寻找最佳着陆地点》)。在十几轮的激烈投票之后,名单上的着陆地点所剩无几。难怪此次会议的组织者不禁感叹:“科学史上还有类似的情况发生过吗?”

在此次MSL着陆点选址会议的最后,与会者把51个候选地点削减到了6个供NASA进一步考虑。尽管投票的过程是民主的,但是最后的结果却未必就一定 是好的。上一次在为“勇气”号选择着陆地点的时候,同样的投票却把它送到了一片被误认为是古代湖床的熔岩地带。这一次科学家们的目光不再局限于寻找火星上 水的踪迹,而是拓宽到了寻找那些在过去或者现在依然能储存有机物的地方。因此现在摆在面前的最大问题是哪儿可以着陆?

“最终剩下的6个着陆地点囊括了所有我们感兴趣的类型,”NASA艾姆斯研究中心的地质化学家大卫·马雷(David Des Marais)说,“许多人为此做出了妥协,与会者积极地参与更是这一计划成功的保证。”2008年8月,行星科学家们会再一次碰头,商讨出一个既安全又 有科学价值的最终着陆地点。

新的挑战

有5个探测器(全都来自美国)已经成功着陆火星。其中前两个——“海盗”号着陆器在70年代使用减速火箭成功着陆——在着陆地点选择上近乎是听天由 命、束手无策。最近的两个——“机遇”号和“勇气”号火星车使用气囊着陆——的着陆地点选择则得益于对着陆风险和科学前景的长期研究。在四次工作会议中, 行星科学家们提出了185个着陆地点供“火星探险漫游者”(MER)计划挑选,然后根据对火星的最新观测资料挑选出了两个看上去最安全并且最具有科学意义 的地点。例如,根据环火星探测器拍摄的更为详尽的照片可以精确地估计出照片中看不到的但对于着陆器来说却是致命的巨石的数量。再由光谱可以找到那些含有只 有在水中才能形成的赤铁矿的地点。

这一由行星科学家们所支持的选址过程得到了丰厚的回报。两辆火星车分别在火星两侧安全着陆,其着陆点环境与预期的基本一致。“机遇”号发现了大量的赤 铁矿,尽管这些赤铁矿形成于含盐的地下水中而不是原先认为的湖床底部。另一方面,“勇气”号的结果却让人大吃一惊。根据对古谢夫环形山底部地质结构的分析 发现,“勇气”号的着陆地点并不是预想的古代湖床,而是缺水的岩浆平原。最后它行驶到了附近的丘陵地带却在那里偶然地发现了难以解释的曾经和水相互作用的 岩石。

这次,NASA将要发射的是火星车中的“悍马”。MSL计划服役2个地球年,重0.75吨(超过“机遇”号或者“勇气”号的4倍),装载9部仪器设备 (其中每一样都为此专门设计,包括一台激光岩石化学分析仪),采用核动力。即使是着陆系统也是全新的。其着陆过程堪称“惊心动魄”,MSL——将首次—— 在下降的最后1500米使用绳索悬吊着陆。这一切将耗资17亿美元。

火星科学家更乐意看到的是发射更多类似“机遇”号和“勇气”号那样廉价的火星车(各耗资4.1亿美元),但这不是NASA的风格,NASA现在要求每 一个计划都必须更大并且更好。很显然MSL正好符合NASA的这一精神。“这是一个非常雄心勃勃的计划,”美国喷气推进实验室(JPL)的MSL项目主管 理查德·库克(Richard Cook)在此次工作会议上说。他说,在会上工程师们商讨着这一计划所需要攻克的几个难关,“在MSL上我们还有很多事情需要齐心协力。”


[图片说明]:“火星科学实验室”将采用悬吊方式着陆。

削减规模

并不是所有的问题最后都能得到解决的。根据NASA最近一次对该计划的评估,MSL预计将超支5000万-1亿美元。其结果是,这一计划不得不削减在 仪器上的开支,并且将候选的着陆地点从12个缩减到5个。“我们清楚地意识到选择并且认证一个着陆地点是多么的复杂和费时,”库克说,而且最终会变得费 钱。对“凤凰”号着陆地区致命岩石的新成像观测显示,“凤凰”号将不得不重新选择着陆地点。

MSL着陆地点的遴选过程持续大约2天,每个人有15分钟的演讲时间,然后是讨论和投票。任何人只要你有着陆地点提案(以及旅费),你就可以在MSL 指导委员会成员、其他提案人、受邀专家和对之感兴趣的行星科学家以及他们的研究生面前陈述你的想法。随后的讨论则一方面专注于着陆地点的科学前景,另一方 面专注于其在工程技术上的限制。紧接着就是投票:针对四个科学问题就每个地点亮红、黄、绿牌。伴随着一些善意的玩笑,投票人会就每个地点发表自己的看法。

结果是黄牌占了大多数。尽管严格来说投票是围绕着陆地点的科学前景而不是火星车的物理性能展开的,但是投票有时候确实参杂了新的工程上限制的因素。例 如,工程师们原来计划使用一种特殊的干性润滑剂来保证驱动和转向系统以及搭载仪器的机械臂可以在-150℃下正常工作(这一温度远低于MER-50℃的极 限)。MSL计划主管迈克尔·沃特金斯(Michael Watkins)在工作会议上说,实验显示这种新型干性润滑油的寿命只有预期的20%。如果重新使用湿性润滑剂,那么就会排除一个候选的着陆地点,并且让 那些纬度高于25°的地点变得岌岌可危。

火星车的机动性也没有达到预期的要求。在第一次工作会议(见火流星网站之《为火星探测寻找最佳着陆地点》)中许多科学家提出了先在直径20千米的平坦安全地带着陆然后驶向无法着陆的探测区域的方案。

[图片说明]:也许“火星科学实验室”在着陆之后可以驶入崎岖但含有粘土(蓝色和洋红色区域)的地区,那里可能曾经有水的 存在。版权:NASA/JPL/JHU APL/UNIVERSITY OF ARIZONA/BROWN UNIVERSITY (J. MUSTARD)。

但是在这次工作会议上,沃特金斯报告说,基于进一步的考虑,项目工程师预期MSL的机动性会和MER差不多,达到每天200米左右,而不是原先计划的 每天500米。最终,MSL必须使用放射性同位素热电发生机来给它的电池充电,并由电池来提供动力,而不是直接由放射性同位素热电发生机来驱动。沃特金斯 说,我们要求科学探测目标必须在着陆区中心方圆10千米之内。这限制封杀了一些候选地点,并且使得提案人争先恐后地寻找各自着陆区域的地质学卖点。

一些与会者大声质疑,是不是地质学家们太专注于图像资料了。美国亚利桑那州立大学光谱学家的史蒂文·拉夫(Steven Ruff)说,这可能会造成“第二个古谢夫环形山”。他说,一些地质学家把层状岩解释成湖水底部的沉积物,然而没有讨论尽管科学意义不大但却极有可能的其 他情况性,例如火山灰层。这些考虑能巧妙地剔除不曾有水流过的层状盆地。

矿物学而不是地质学才是最终的主要判据。绝大多数与会者把目光集中在搜寻粘土上,因为它是水和火成岩相互作者用的产物,被当成是长期有水存在的一个信 号。同时这也是一个可能存在生命的征兆,因为粘土可以长时间地承载有机物。任何一个缺乏存在粘土特征的候选着陆点都将面临出局的结果。

一些人觉得这一要求可能有点苛刻了。许多地质生物化学家和天体生物学家——与会者中最小的群体——觉得人们太看重粘土了。他们说,存在粘土固然很好, 但这并不就意味着一切。举个例子,在形成于古代火星地壳中的粘土里寻找到早期生命的可能性远没有形成于火山湖三角洲中的粘土大。美国加州大学戴维斯分校的 天体生物学家唐·萨默(Dawn Summer)指出,在首轮投票中境况惨淡的弗纳尔环形山(Vernal Crater)就是由于一层薄薄的尘埃阻挡了光谱信号,因此科学家们无法判断那里到底有没有粘土。但是弗纳尔环形山的提案人,NASA约翰逊空间中心的行 星科学家卡尔顿·艾伦(Carlton Allen)却注意到了那里存在湖底沉积物、湖案、河床甚至是高温泉水沉积物的证据。“这些东西极其重要,”萨默说,“我给弗纳尔环形山亮的全是绿牌。” 但是,新一轮的投票还是把弗纳尔环形山挡在了前十名之外。

在最后的议程中,工作会议又以探测到生命的可能性过低或者着陆地点科学意义不大为由剔除了4个候选地点,这样最后只剩下了6个着陆地点。这剩下的6个 地点对工程技术的要求已接近了目前可以达到了极限。计划要求最后的候选着陆地点中有2个可以证明是安全的,但是就目前对潜在危险的分析表明,目前还没有一 个着陆地点能完全达标。最后的6个候选地点中有3个是前火山湖,这些是最受青睐的地点。但是其中有2个太靠南,这样火星车着陆之后可能有1/3的时间不得 不处于冬眠状态。其他2个则是广受地质学家们欢迎的地壳粘土地点,但是天体生物学家对此心存异议。不过,萨默说:“结果还是比我预期的要好。”最后剩下的 不同类型的着陆地点将会考验NASA的工程师们,也许他们会告诉我们究竟哪些地方MSL能去,哪些不能。

最后6个MSL候选着陆地点(按纬度排列)
序号   地点名称     位置        海拔
1    马斯山谷     24°N,20°W    -2 km
2    尼利·福萨凹槽  22°N,75°E    -0.6 km
3    杰泽罗环形山   18°N,78°E    -2.5 km
4    西南本初子午线  3°S,7°E     -1.9 km
5    霍尔登环形山   26°S,34°W    -2.3 km
6    特比环形山    28°S,73°E    -5 km

[Science 2007年11月9日]

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5 Responses to “下一代火星车在哪儿着陆?”

  1. Shea说道:

    不知道,这篇译文是否通俗易懂一些?

  2. amisyy说道:

    我希望有更多关于机器人的方面的东西~~~~~~

  3. amisyy说道:

    我是看到“火星车”才看这篇文儿的,我希望有更多关于机器人的方面的东西~~~~~~

  4. hxflyer说道:

    前几天不是发现水了么,晚上降霜了

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