火星生活 | NASA
想去火星嗎?希望你可以喜歡藍(lán)色的夕陽(yáng)和日復(fù)一日的地下生活。
毅力號(hào)(Perseverance)是用于“火星2020”(Mars 2020)任務(wù)中的火星車,由美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)下屬位于南加州的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)制造。毅力號(hào)于美東時(shí)間2020年7月30日上午7:50發(fā)射,經(jīng)過(guò)一趟歷時(shí)7個(gè)月,歷程4.8億公里的旅行后于加州時(shí)間2021年2月18日下午3時(shí)55分成功登陸火星,降落在杰澤羅隕石坑(Jezero Crater)。
“毅力號(hào)”著陸過(guò)程 | NASA
毅力號(hào)著陸點(diǎn)與先前成功的其他火星車著陸點(diǎn)一覽 | NASA
由于杰澤羅隕石坑曾是湖泊,地質(zhì)古老,地形豐富,是微生物繁殖的潛在溫床,因此毅力號(hào)此次的工作任務(wù)就是探測(cè)其附近的火星表面,以尋找古老微生物的生命跡象并取得樣本。為此,毅力號(hào)還攜帶了 7 種科學(xué)儀器,23 個(gè)攝影鏡頭,2個(gè)麥克風(fēng)和1臺(tái)名為機(jī)智號(hào)(Ingenuity,又名“小機(jī)靈”)的無(wú)人機(jī)來(lái)配合它進(jìn)行科學(xué)研究。
毅力號(hào)所攜帶的7種科學(xué)儀器 | NASA
這7種儀器分別為:
變焦全景相機(jī) Mastcam-Z
一種安裝在桅桿上的高清成像攝像機(jī)系統(tǒng),具有全景、立體和縮放功能,可生成高清晰度的全景 3D 立體圖像。
激光超距分析儀 SuperCam
包括照相機(jī),激光和光譜儀,可搜索與火星早期生命可能有關(guān)的有機(jī)化合物。 它可以在7米外就識(shí)別出目標(biāo)物中小如鉛筆尖的化學(xué)和礦物成分。
火星環(huán)境動(dòng)力學(xué)分析儀 MEDA
進(jìn)行天氣測(cè)量,包括風(fēng)速和風(fēng)向,溫度和濕度,同時(shí)測(cè)量火星大氣層中塵埃顆粒的數(shù)量和大小。
紫外光譜儀 SHERLOC
SHERLOC安裝在毅力號(hào)的機(jī)械臂上,使用照相機(jī),光譜儀和激光來(lái)搜索被水性環(huán)境所改變的有機(jī)物和礦物質(zhì),實(shí)現(xiàn)掃描可居住環(huán)境的目的。
X射線儀 PIXL
可利用 X 射線對(duì)火星沙粒進(jìn)行精準(zhǔn)的分析,尋找火星微生物的生命痕跡。
制氧儀 MOXIE
旨在從地球大氣中的二氧化碳中提取氧氣,為航天器返回地球提供燃料來(lái)源的同時(shí)也為未來(lái)宇航員登陸火星吸氧做準(zhǔn)備,以此實(shí)現(xiàn) NASA 的“造氧計(jì)劃”。
火星地下實(shí)驗(yàn)用雷達(dá)成像儀 RIMFAX
使用雷達(dá)波以厘米級(jí)分辨率探測(cè)火星的地下結(jié)構(gòu)。
毅力號(hào)在安全著陸后拍攝的第一張照片中照到了自己的倒影 | The San Diego Union-Tribune
- 誰(shuí)參與了毅力號(hào)的設(shè)計(jì)?-
所有用于太空的電力電子設(shè)備都必須能夠承受住極端的輻射,沖擊,振動(dòng)和溫度。新思科技(Synopsys)的光學(xué)工程師們與馬林太空系統(tǒng)公司(Malin Space Science Systems)和亞利桑那州立大學(xué)(Arizona State University)合作,使用其CODE V光學(xué)設(shè)計(jì)軟件(CODE V Optical Design Software)設(shè)計(jì)了Mastcam-Z變焦鏡頭系統(tǒng)。鏡頭需要在擴(kuò)展的可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)進(jìn)行正確校正,并且需要在至少3倍變焦范圍內(nèi)操作,同時(shí)能夠從靠近漫游車聚焦到無(wú)限遠(yuǎn)。鏡頭還需要適應(yīng)在較大的溫差內(nèi)進(jìn)行工作,例如極端溫度梯度。這些操作條件都需要大量的設(shè)計(jì)工作以及詳盡的分析研究。
英飛凌的IR HiRel公司也為漫游車提供了數(shù)千種關(guān)鍵任務(wù)輻射硬化組件。從1997年的旅居者號(hào)(Sojourner)開始,到2004年的機(jī)遇號(hào)(Opportunity)和精神號(hào)(Spirit),再到2012年的好奇號(hào)(Curiosity),這已經(jīng)是英飛凌的產(chǎn)品第五次登上火星探測(cè)器。多個(gè)漫游車子系統(tǒng),例如飛行計(jì)算機(jī),電機(jī)控制,雷達(dá)和任務(wù)儀器套件,集成了IR HiRel空間級(jí)MOSFETs,IC和其他電源控制產(chǎn)品,可確保在惡劣的空間環(huán)境中可靠地運(yùn)行。
英飛凌為太空和其他惡劣環(huán)境提供獨(dú)特的產(chǎn)品組合,包括高可靠性,抗輻射功率轉(zhuǎn)換和RF解決方案 | Infineon
高通在太空探索中也發(fā)揮了重要作用,由于目前毅力號(hào)攜帶的無(wú)人機(jī)機(jī)智號(hào)主要以實(shí)驗(yàn)和測(cè)試為目的,目標(biāo)不算高,但對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理(包括飛行時(shí)的姿態(tài)控制、圖像處理等任務(wù))要求很高,以至于火星車上搭載的成熟產(chǎn)品并不能滿足要求。因此噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)為其配備了民用的高通驍龍?zhí)幚砥?01以及高通飛行控制面板。
除了高通,機(jī)智號(hào)還使用了其他民用科技進(jìn)行搭建。JPL工程師Tim Canham在接受IEEE Spectrum采訪時(shí)表示,除了處理器,機(jī)智號(hào)的導(dǎo)航設(shè)備,包括慣性測(cè)量單元IMU、激光測(cè)距儀等等設(shè)備,都是通過(guò)電商平臺(tái)SparkFun購(gòu)買的普通手機(jī)級(jí)硬件。他表示,JPL不怕承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn),愿意嘗試新的途徑和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。如果民用科技使用效果良好,JPL在后續(xù)也會(huì)繼續(xù)使用它們。
另外值得一提的一點(diǎn)是,之前NASA的火星探測(cè)器使用的都是VxWorks商業(yè)操作系統(tǒng),Tim Canham表示這是NASA第一次在火星上運(yùn)行JPL為機(jī)智號(hào)開發(fā)的已經(jīng)開源的Linux飛行控制系統(tǒng)。這也就意味著任何開發(fā)者都能在Github上下載NASA火星無(wú)人機(jī)的同款代碼,并用在自己的飛行器上。在Canham看來(lái),這對(duì)于JPL來(lái)說(shuō)是一個(gè)全新的嘗試,因?yàn)镴PL本身還是傾向于安全可靠的產(chǎn)品,不過(guò)既然很多人對(duì)此感到非常興奮,JPL也很期待做出這樣的嘗試。
無(wú)人機(jī)機(jī)智號(hào) | NASA
- 在地球過(guò)火星時(shí)間的人們 -
登上火星后,毅力號(hào)之后的探測(cè)路線全由JPL的“機(jī)器人界面與視覺(jué)化小組”(Robot Interfaces and Visualization)來(lái)操控。在接受采訪時(shí),華裔工程師Jeng Yen表示,他們會(huì)按照火星時(shí)間打卡上下班:每當(dāng)火星進(jìn)入黑夜,控制中心就開始上班編排程式指令;到了火星的早晨,再把寫好的程序傳輸過(guò)去,讓漫游車開始工作。由于火星在進(jìn)入夜晚后溫度會(huì)降到零下80攝氏度,漫游車在這種情況下需要花費(fèi)大量時(shí)間才能運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái),因此在經(jīng)過(guò)計(jì)算后,探測(cè)車只在白天執(zhí)行任務(wù)。
從地球到火星,信號(hào)的來(lái)回并非同步,而是要?dú)v時(shí)半個(gè)小時(shí),因此工程師們必須都要事先安排好工作,交給漫游車上的裝置執(zhí)行。不過(guò)相較之前的漫游車,毅力號(hào)全新的自主導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)有所緩解這一問(wèn)題。類似自動(dòng)駕駛汽車,毅力號(hào)具有高分辨率的廣角彩色攝像機(jī)和專用的處理單元,可將圖像轉(zhuǎn)換為地形圖并選擇通過(guò)它們的路徑。能夠自行走得更遠(yuǎn)意味著漫游車可以覆蓋更多的范圍。機(jī)遇號(hào)記錄的單火星日最長(zhǎng)的行駛距離為大約214米,而毅力號(hào)的目標(biāo)是在減少人類投入的情況下可以基本接近或覆蓋此距離。
MSL自主導(dǎo)航的三種表示形式:操作員限制空間,漫游車解釋地形,以及在類似地形中漫游車的3D視圖 | JPL
- OPTIMISM,毅力號(hào)的雙胞胎兄弟 -
毅力號(hào)是臺(tái)前的明星,不過(guò)幕后還有我們不能忽視的OPTIMISM——他是毅力號(hào)的雙胞胎兄弟,在地球上默默做著支持工作。
OPTIMISM | CNET
OPTIMISM(Operational Perseverance Twin for Integration of Mechanisms and Instruments Sent to Mars的縮寫)是毅力號(hào)的全比例工程版,實(shí)際上是一個(gè)測(cè)試機(jī)器人,旨在盡可能地模擬毅力號(hào)在火星上要經(jīng)歷的實(shí)際任務(wù)。他們的全套裝備都是一樣的,包括尺寸、車輪、攝像頭、強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)、移動(dòng)系統(tǒng)、行駛速度和遙感質(zhì)量等,同時(shí)OPTIMISM也可以自主運(yùn)行。OPTIMISM主要用于向毅力號(hào)傳送任何指令前衡量硬件和軟件的性能,有助于完成一整套軟件測(cè)試,這樣才能使團(tuán)隊(duì)可以在毅力號(hào)前往火星的途中和登陸后向其發(fā)送補(bǔ)丁。
火星是離地球較近且環(huán)境最為相似的星球,一直是人類走出地月系統(tǒng)開展深空探測(cè)的首選目標(biāo),無(wú)論是毅力號(hào)、希望號(hào),還是我國(guó)的天問(wèn)一號(hào),尋找地外生命都是人類不斷探索宇宙最根本的出發(fā)點(diǎn)。只要探尋之夢(mèng)永遠(yuǎn)不倒,人類在未來(lái)定會(huì)邁出更多矚目的步伐。