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水土不服,人造探测器在火星常“犯病”

来源:科技日报 作者: 发布时间:2019-07-29 10:50 浏览次数: 【字体:

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近来,美国国家航空航天局(NASA)的“洞察号”探测器的项目团队很“上火”。他们之前在火星上打一个深洞,感受其内心温度的计划眼看就要夭折。原因是“打洞”的关键设备、代号“鼹鼠”的钻头卡在火星土壤中已经超过4个月,进不去也出不来。

作为人类探测红色星球的新兵,“洞察号”2018年11月才登上火星,今年2月,“鼹鼠”就已经被困住,究竟是什么原因?除了此次受挫,人造探测器在火星上还遇到过哪些问题?火星的环境究竟有多特殊,导致来自地球的访客各种水土不服?

“鼹鼠”打洞被困

“鼹鼠”是全称为“热流与物理性能探针(HP3)”的设备的钻头。HP3由德国航天中心(DLR)研制,它的主要部件包括支撑结构、钻头和系带,工作时先由“洞察号”的机械臂将其安放在指定位置,钻头依托支撑结构向下打洞,装有热流测量仪器的系带则连在后面紧紧跟随。

按照原计划,“鼹鼠”将在火星表面至少打一个3米的深洞,用于测量火星由内部到外部的热流动。但是,今年2月28日,“鼹鼠”在仅仅钻入30厘米之后,便再也无法深入。最初,NASA认为是坚硬的石头挡了路。

但近日,NASA宣布石头阻挡的可能性极小,“鼹鼠”动不了的真正原因可能是火星土壤摩擦力不足。很多人不禁要问,摩擦力小,不是更容易打洞吗?

这就要回归到“鼹鼠”的工作原理了,其虽名为“钻头”,却并不旋转钻土,而是依靠内部的弹簧装置驱动撞锤撞击使尖锐的头部刺入地下。但撞锤撞击反弹后将给钻头一个向上推力,可能导致其好不容易钻下去又弹回来,研究人员本来认为“鼹鼠”与火星土壤的摩擦足以将这种反作用力抵消,但现在发现似乎并非如此。

此外,由于设计原因,“洞察号”的机械臂可以移动HP3的支撑机构,却不能将钻头拔出,换个地方重新打洞也是困难重重。

“好奇号”状况频发

事实上,包括“洞察号”在内,登上火星的人造探测器往往故障频频。

以NASA现役唯一的火星车“好奇号”为例。“好奇号”于2012年8月抵达火星,之后其计算机系统因宇宙射线辐射多次出现故障。2013年2月28日,其正在使用的A计算机显示内存损坏,控制系统随机切换使用备份的B计算机,并短暂进入“安全模式”,控制人员将A的受损内存隔离。

2013年底,“好奇号”的车轮出现异常,“自拍照”显示其轮部表面破损。专家们猜测是火星表面又小又尖的岩石导致行驶中的车轮金属表皮频繁变形,最终疲劳破裂。之后,“好奇号”的地面团队只能通过调整车轮速度以减少岩石的压力等方式避免破损区域扩大。

此后,“好奇号”又多次出现线路短路、机械故障等问题。特别是2018年以来,其计算机系统更是故障频发。2018年9月15日,B计算机开始无法存储关键的科学和工程数据,项目团队又切换使用5年未用的A计算机。进入2019年,A计算机再遇故障,险些失联。今年3月,“好奇号”只得再次切入B计算机。

环境特殊致探测器“水土不服”

无论是“洞察号”的“鼹鼠”还是“好奇号”的计算机,其在踏上火星之旅前都会在地球经历无数次的试验,但是当它们登上火星之后,还是会遇到各种意想不到的问题。比如“鼹鼠”曾在地面模拟的火星土壤中仅用27个小时就掘进5米,而到达火星后却数月止步不前。

究其原因就是火星环境与地球大不相同,探测器发射前的地面试验不能完全模拟服役环境,使其到达火星后“水土不服”。那么,火星环境究竟对人造探测器构成哪些挑战呢?NASA下属格伦研究中心总工程师詹姆斯⋅J⋅扎克拉泽克等人曾在《探测车概念和研发挑战》一文中作了全面总结。

首先,火星大气密度低,仅为地球的1%,同时没有稳定的磁场,导致表面辐射较强;其次,火星温度低且变化剧烈,在“海盗号”探测器登陆点,夏季土壤最高温度仅为27℃,凌晨最低温度却有-18℃,冬天最低温度更是降为到-107℃,每天最高温度和最低温度平均相差40℃;再者,火星地形起伏更大,南半球海拔高却坑坑洼洼,北半球海拔低遍布沉积物、火山、风化物。更致命的是,火星风沙大,春夏两季易发沙尘暴,风速高达每秒30米,相当于11级暴风。

因此,针对火星环境的这些特点,研制火星表面探测器,要重点解决抗辐射、温控、崎岖地形行驶等问题,特别是针对沙尘暴的结构密封、表面耐磨、抗粉尘积累等技术难题。


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