- 本文轉載自臺北天文館,《臺北星空》第 100 期。
- 作者 / 政大應用物理所兼任助理教授 | 徐麗婷
去年適逢火星衝,美國、中國和阿拉伯聯合大公國皆有火星探測計畫,今年 2 月各火星任務陸續抵達,本刊在 99 期、 96 期皆有專文介紹。
火星探測車「毅力號 Perseverance」在 2020 年 7 月 30 日從地球發射升空,經過六個多月的太空航行後,於 2021 年 2 月 18 日登陸火星。這次的火星 2020 任務 (Mars 2020 Mission) 將達成許多科學目標與新科技的測試,為人類未來的火星探索鋪路。
科學目標
在 2011 年發射的好奇號 (Curiosity) 火星任務中,科學家發現曾有液態水存在於遠古的火星上,同時也找到可供給微生物生命生存的營養與能源。而在火星 2020 任務中,毅力號將進一步地探測火星的地質與氣候、收集岩石與土壤樣本、以及尋找生命存在過的跡象與適居環境。這個任務有四個主要的科學目的:
- 尋找火星的適居性:辨識出過去支持微生物生存的環境。
- 尋找生物標記:在那些適合居住的環境中,尋找過去可能的微生物生命跡象,尤其是在能保存生命遺跡的特殊岩石中。
- 存取樣本:收集岩心和土壤樣本,並將其儲存在火星表面。
- 為未來人類登陸做準備:測試能把二氧化碳轉化成氧氣的儀器。
為了選擇最適合進行這些科學檢測的降落地點,科學家花了五年的時間研究,最後選出最佳著陸點「傑澤羅隕石坑」 (Jezero crater) 。
在先前的火星任務中,科學家曾在傑澤羅隕石坑裡發現了黏土 (黏土只在有水的情況下才能形成) 。再者,從隕石坑附近的地形來看,這裡過去有可能是個湖泊,古老的河水流入隕石坑形成三角洲,並且生成沉積物。這樣溼潤的地質,非常適合生命的演化與生長。因此,科學家認為這裡是毅力號最佳的降落地點。科學家將在湖床或湖岸沉積物中尋找生命的遺跡,並且研究該區域的形成和演化過程。
科技的承傳與創新
毅力號延用了好奇號的車身設計與零件,並且加入新的科技,包括更能適應地形的輪胎、 可以收音的麥克風、鑽探岩芯與樣本保存的儀器、和改良後的降落系統。毅力號的車身上更裝載了兩個非常重要的創新科技,一個是可以把火星大氣中的二氧化碳轉化為氧氣的儀器 MOXIE, 另一個是將首次在火星上飛行的直升機 。
MOXIE
火星大氣中的二氧化碳佔 96%, 氧氣只佔 0.13%,而火星 2020 任務中一個重要的科學目標,就是測試 MOXIE 把二氧化碳轉化為氧氣的功能 。 由 MOXIE 產生的氧氣可以供給太空人呼吸使用,也可以做為未來返回地球的火箭推動燃料。科學家估計由 MOXIE 產生的液態氧燃料,將可提供 75% 的推動力。
無人直升機
這架直升機體積小巧,重量只有 1.8 公斤。這是人類第一次嘗試在地球以外的星球操作飛行器。在火星上飛行主要有兩個環境因素需要克服: 第一,火星的大氣非常稀薄,密度只有地球大氣的 1 %,所以螺旋槳必須夠大、轉速必須夠快 (轉速約為地球直升機的 5-10 倍) ,才能產生足夠的上升力讓直升機飛起來。 第二,火星夜晚的溫度可能降至攝氏零下 90 度,因此直升機上很多零件的設計必須能對抗這樣的低溫。
在這次的火星飛行任務中,直升機有四個主要的測試目標:(1) 是否能隨著毅力號安全降落, (2) 能否成功脫離毅力號,安全部署在火星表面上,(3) 自動保溫系統是否可以運作,(4) 是否能夠透過太陽能板自動充電。若以上測試都成功,科學家們會接著在地球上遙控直升機,在30天內嘗試進行五次的飛行任務。
如果能順利完成所有的測試,那麼直升機將可以為人類提供有別於陸地漫遊車的高空視 角,並拍攝到高解析度的火星地貌。也能為將來不論機器人或是人類登陸火星後的飛行計畫打下基礎。
登陸系統 (Entry, Descent, and Landing System,縮寫為EDLS)
火星 2020 任務使用了新的登陸系統,這個系統中運用了幾個新科技,使得太空船在進入火星大氣之後,可以更準確安全的到達著陸點。
首先,相較於先前的登陸系統,太空船可以更精確地決定開啟降落傘的時間。以往的降落傘都是盡量早點開啟,但新的登陸系統可以根據太空船在大氣中與著陸點的相對位置,決定降落傘需要早點開啟還是晚點開啟,這樣能讓太空船更加接近預計的著陸點。再者,太空船可以利用地形導航系統 (Terrain-Relative Navigation) 偵測地形地貌,讓太空船避開危險的地形,並且自動偵測導航到安全著陸的地 點。此外,除了太空船的減速傘殼 (aeroshell) 上裝有記錄器之外,毅力號上也有裝設相機和麥克風,可以把太空船的下降過程記錄下來。這樣的登陸系統若是成功,未來也可以使用在人類登陸月球或是火星的任務上面。
為將來的太空旅行鋪路
載著地球上的最新科技,毅力號得以在火星上尋找古代微生物的遺跡,並測試人類未來登陸火星後的生存儀器。而美國太空總署 (NASA) 與歐洲太空總署 (ESA) 也正在考慮後續合作,他們將要發射另一艘太空船,把毅力號在火星上收集到的樣本送回地球。
「火星 2020 任務」是 NASA 登陸月球與火星的大型計畫中的一個子計畫,NASA 預計將於 2024 年再度送太空人上月球,並且接續在 2028 年開始在月球上建造可以維持太空人生活與工作的基地。這個大計畫名為 Artemis lunar exploration plans ,它的最終目的將會是人類太空史上的一大躍進──將太空人送上火星。
參考資料
- Wikipedia – Mars 2020
- nasas perseverance rover 22 days from mars landing
- 6 things to know about nasas ingenuity mars helicopter
YouTube相關影片
- 7 Minutes to Mars: NASA’s Perseverance Rover Attempts Most Dangerous Landing Yet
- Mars 2020 – First images from Mars, Perseverance during and after landing
- Perseverance Rover’s Descent and Touchdown on Mars
- NASA Mars Helicopter Ingenuity Animations