首次在火星极区着陆的“凤凰号”

举世瞩目的美国“凤凰号”火星着陆探测器2007年8月4日发射，经过约10个月的飞行后，预计2008年5月抵达火星北极。这次火星探测任务将持续3个月，“凤凰号”将利用机械挖掘臂在火星挖掘土壤，以了解当地环境是否适合生物生存。它是美国航空航天局对寻找火星生命发起的又一次强力冲击，也是继30年前“海盗号”火星探测器在火星上钻孔之后，再次探测火星地表之下的一次大胆尝试。

低成本探测器

凤凰的本意是经过涅槃重生的“不死鸟”，这次发射的火星着陆器取这个名字，寓意为它是失败的“火星极区着陆器”和因此取消的原定2001年发射的“火星勘测着陆器”的复活，并且包含了要完成前2个探测器未竞使命的意思。它是这2个探测器的备用零件和设备打造的一个“混血儿”，充分继承了“火星勘测着陆器”的技术，并吸取了先行者的成功经验和失败教训。

“凤凰号”由美国喷气推进实验室、洛马公司和亚利桑那大学联合研制，其中喷气推进实验室负责项目管理、系统工程、任务保证，并且管理有效载荷和任务系统，以及研制着陆器上的机械挖掘臂、显微镜电化学与电导率分析器和有效载荷电子线路盒。洛马公司负责着陆器的制造、总装、测试和试验等。同时，喷气推进实验室和洛马公司也作为后备的运行监控中心，必要时给予运行管理支持。亚利桑那大学负责建立科学运行中心及其运行管理，提供带有有效载荷科学仪器的着陆器工程样机，以及研制“凤凰号”上的热和演化气体分析仪(TEGA，又译热与气体分析仪)、表面立体成像仪(SSI)和机械挖掘臂相机(RAC)3种科学仪器。

在飞往火星途中，“凤凰号”装在扁圆锥状的外壳内。该外壳由上钟形罩与下防热层组成，其中钟形罩顶端是圆柱形仪器舱，舱内除控制、通信等仪器外，还有降落伞；舱外两侧各有一副太阳能电池翼。舱的周围还装有通信天线和修正轨道和调整姿态用的推力器。下防热层用于在进入火星大气层时朝向前方防热，保护壳体内的着陆器。其推进系统是装在上钟形罩上的8个推力器，其中4个负责轨道修正，4个负责姿态控制。

“凤凰号”着陆器由3条腿支持，中心是一个多面体仪器舱，其左右两侧各展开一副多边形的太阳能电池翼。舱顶是一块仪器板，装有各种科学仪器的探头、通信天线及机械挖掘臂。

在火星上，“凤凰号”将展开其自身携带的太阳能电池翼，为科研仪器提供电能。科学家希望探测器能在火星上持续工作150天，勘探其着陆区域夏季和秋季的情况。当冬季来临时，由于太阳照射时间短，探测器上太阳能电池产生的电能将不足以维持探测器的工作需要。

与“火星勘测着陆器”相比，“凤凰号”的最大改进是提高了太阳能电池翼的生能。因为当“凤凰号”到达火星时，火星离太阳的距离变大了，太阳常数减小：另一方面，它将降落在北半球高纬度地区，受太阳照射的入射角(与太阳能电池冀表面法线之夹角)变大，光电转换效率降低，所以“凤凰号”使用的太阳电池由2节电池改为3节电池。在高纬度地区着陆也带来一定的好处，就是着陆后的相当一段时期内，火星天空中太阳是不落的。

“凤凰号”是一个自动化程度很高的探测装置，也是一个能对周围物质和大气进行全面分析的轻便实验室。它携带有挖掘功能的机械臂和拍摄高清晰度照片的双镜头全景照相机等科学仪器。

各具功能的探测仪器

“凤凰号”两侧的太阳能电池翼展开后约5.5米宽，1.5米长。它装配了7种科学探测仪器，其中有的沿用了“火星极区着陆器”和“火星勘测着陆器”的仪器，有的是把经过太空飞行考验的仪器略加改进而成，还有的是在已有技术基础上研制的。它还装配有专门的大体积火星物质过滤器，使得探测器在执行任务过程中免受火星大块物质的侵害。

该探测器与美国近年发射到火星上的探测器不同，它既不爬到山丘上，也不下到撞击坑内去漫游，而是固定在火星北部平原的一个地方，用“爪子”向含冰土壤下挖掘，以便研究火星表面附近冰冻的水是否会定期溶化，从而足以维持能使微生物得以生存的环境。为做到i塞—点，并实现其它关键目标，“凤凰号”将携带一套以往还从未在火星上使用过的先进研究工具。

(1)机械挖掘臂

“凤凰号”2008年春季在火星北极平原着陆后，将利用一个机械挖掘臂及其它工具深挖火星冰层，取出土壤样本做进步分析，帮助科学家们分析火星表面可能的冰物质和泥土样品，找到火星气候变化和水源线索，以及支持生命存在的舒适居住地，以便确定火星表面之下的土壤环境是否能够成为微生物生命的良好栖息地。火星极地土壤与加拿大北部冻土带很类似。 机械挖掘臂是“凤凰号”着陆器操作的关键设备之一，可伸长2.35米，有上下、左右、前后、旋转4个自由度。其末端装有锯齿形刀片和波纹状尖锥，能在坚硬的极区冻土表面挖掘0.5～1米的深坑，还可为装在支承臂上的相机调整指向，并引导测量热与电传导性的探测器插入土壤。它铲起土壤和水冰的样品后，将它们送入着陆器甲板上的仪器进行详细的化学和地质学分析。显微镜电化学与电导率分析器将对土壤进行化学分析，热和气体分析仪将通过加热来检查样品中是否含有挥发性物质，如构成生命要素的水和碳基化合物。

(2)显微镜电化学与电导率分析器

它包括湿化学实验室、光学显微镜、原子力显微镜、热与电导率探针等4台主要仪器。其中湿化实验室由4个湿化学小箱组成，每个小箱内装有实验用的试剂和纯水以及26个敏感探头，用以检测土壤的元素成分，光学显微镜为固定焦距，使用256×512CCD阵，分辨率为4微米／像元，可用红、绿、蓝和紫外4种光照射试样。原子力显微镜用于拍摄40微米×40微米的极微小面积，分辨率达到亚微米级。这2种显微镜均用来给土壤样品拍摄成像。热与电导率探针测量土壤样品的导热性与导电性，样品的导热性用加热器和热电偶，以脉衰退法测量。通过把少量的土壤和水混合，显微镜电化学与电导率分析器可确定pH值(溶液的酸碱程度)和矿物丰度，如镁、纳阳离子或氯化物、溴化物和硫酸盐负离子，以及熔结的氧和二氧化碳。通过显微镜的观测，显微镜电化学与电导率分析器可检验土壤颗粒，以确定它们的来源和矿物学性质。原子力显微镜由Neufchatel/Swiss联邦工学院提供。

(3)机械臂相机

该相机装在机械挖掘臂腕关节处，能近处观看并获得全彩色图像，用于拍摄机械挖掘臂采集的土壤样品的高分辨率图像，包括铲勺中的土壤样品、火星表面挖出的坑槽中的土壤堆积物及坑槽壁上的土壤。这些图像将用来分析土壤颗粒的类型和大小。相机的焦距可在10厘米到无穷大之间调节，分辨率为2毫弧度／像元，可采用红、绿、蓝3种光照射样品。其观测项目包括着陆器附近火星表面情况、土壤和水冰样品、在由显微镜电化学与电导率分析器和热和演化气体分析仪分

析之前检验收集到的样品、槽底部和侧壁的小尺度结构和分层结构。Max Planck大气研究所为机械臂相机进行校准和试验。

(4)表面立体成像仪

作为“凤凰号”的“眼睛”，这种双镜头全景照相机能够拍摄出探测器着陆点附近地质情况的高清晰度照片，还可观测和分析从火星表面到高度2万米的大气层情况，获得火星云层的形成和移动的数据。它用于提供火星北极高分辨率、立体和多光谱的图像，勘测着陆点处的地质情况，绘制高分辨率的地质图和机械挖掘臂作业区地图，并测量着陆点地面上空大气中的尘粒和云层，进行多光谱分析和大气观测，表面立体成像仪将在蓝、红、近红外等波段拍摄立体图像，所载滤波器能在12个波段拍摄地质图像和8个波段的大气图像。其拍摄的太阳图像用于研究大气的透明度，天空图像用于测量气溶胶、尘粒和云层的特性，着陆器图像用于评估大气中尘粒的沉积速率。哥本哈根大学为表面立体成像仪提供校正目标用的磁铁。

(5)热和演化气体分析仪

该分析仪由高温加热炉和质谱仪组成，用于分析火星冰和土壤样品高温加热炉有8个小容器，土壤样品被送入其中的一个后加以密封，在对样品加热后，观测、记录土壤样品的吸热和散热过程，对土壤样品进行热分析；质谱仪用于分析土壤样品加热后释放出的挥发物，也能对火星大气采样，进行成分分析。

(6)火星下降成像仪(MARDI)

它在“凤凰号”下落的过程中起关键作用，用于拍摄火星表面、勘察着陆点附近的地质情况。火星下降成像仪将在探测器的防热屏蔽壳抛出后开始工作，在着陆最后阶段最多可拍摄着陆点的20张图像。相机的视场为65.9度，分辨率为9微米。

(7)气象站

这是“凤凰号”唯一专门研制的新仪器，它将用激光器对大气中的水和尘埃进行评定，在3个月内，对火星春、夏两季的天气进行监测，记录火星北极每天的天气状况。它由激光雷达和热偶温度计两部分组成，其中激光雷达固定指向上方，首次用来测量行星边界层，提供行星边界层中的云、雾和尘粒羽流的深度、位置、结构和光学特性。通过对行星边界层的测量，可了解火星表面与大气之间的相互作用，特别是挥发物的交换过程；热偶温度计有一根长1米的可伸展杆，顶端装有3个E型热电偶，测量靠近地表的大气温度；其压力传感器装在一个恒温容器内，以保证压力测量精度。温度和压力的测量结果可用于了解当地大气的特性。

负责研制火星气象站的加拿大约克大学科学家怀特威表示，他们不得不在匆忙中完成气象站许多部件的设计和制造。在这期间，加拿大科学家面临的最大挑战是激光雷达设备的研制，这是一种分析大气中云层和尘埃的仪器。其工作原理是向空中发出一个激光短脉冲，然后测量其碰到尘埃和云粒子反射回的光。加拿大科学家历来精于研发这种复杂仪器。但这一次要求仪器必须紧凑、重量轻且耗能低，同时还必须能在恶劣的火星环境中有效地工作，在火星极地，气温有时只有几摄氏度，而有时又有100摄氏度左右。怀特威教授说，气象站的研制时间非常紧张，因为“凤凰号”的发射窗口是在火星与地球距离相对最近的时刻，这种时刻2年才能有一次。所以这次是与时间赛跑，一点儿也不敢耽搁。

具体研制火星气象站的是加拿大MDA公司，该公司因成功研制航天飞机机械臂而成名。它研制的气象站原型装置如鞋盒大小，重量在10千克左右。原型装置在可以模拟火星环境条件的实验室进行了一系列试验。最初很不顺利，因为激光雷达经常发生这样那样的故障，不是激光工作不正常，就是其它内部元件在大跨度温度变化下发生故障。不过，加拿大科学家最终还是解决了这些问题。

上述所有设备都将在计算机的控制下按预先编好的程序进行工作。“凤凰号”在火星上开展科学考察工作以后，将陆续把获得的上述数据资料以无线电信号的形式发回地球，供科学家们分析研究。

选择着陆地点不易

“凤凰号”火星着陆器的发射留下了这样的记录：美国航空航天局具有竞争性且相对廉价的飞赴火星的“火星搜索计划”的首次飞行；美国从1964年11月以来发射的第18个火星探测器，从1975年8月以来发射的第7个火星着陆器。如果它能按预定时间登陆火星，那将成为美国第6个成功着陆火星的航天器。其登陆位置在火星北纬65度～75度之间的冰冻北极区附近。

之所以让“凤凰号”在火星北半球高纬度地区登陆，是因为以前的航天探测表明火星北极周围一年四季都有白色极冠。如果说白色极冠是由二氧化碳气体凝结成的干冰，那么在零下125℃以上它就会升华成为气态，而那里夏季温度在零下73℃到零下58℃之间。这说明白色极冠不可能全是干冰，至少其中有一部分是由水冰构成的，故而在此处更容易找到以冰态存在的水。

在“凤凰号”发射前的准备工作中，最棘手的问题之是选择着陆地点。与之前的“勇气号”和“机遇号”火星车采用行走勘测的方式不同，“凤凰号”采用的是定点勘测的方式，所以科学家必须选择一个极佳的着陆点，以确保其长久从事勘测工作。考虑到土壤标本更容易搜集，所以美国并不计划将“凤凰号”着陆在冰层表面。

科学家以前曾经选择好了“凤凰号”的安全着陆点。然而，“火星勘测轨道器”拍摄的照片显示，预期的着陆点B地区石块比较集中，布满了许多直径不足1米的石头。这些碎石将对“凤凰号”构成威胁。—旦降落在这片区域，它将很有可能被倾覆。除此之外，这些石块还会妨碍着陆器上的太阳能电池翼接收阳光，而高功率的太阳能电池对于着陆器的能量供给至关重要。再者，考虑到无线电信号从地球到火星需要一定的时间，因此，地球控制中心是无法在“凤凰号”下降过程中指令其躲避障碍物的。

正是由于上述原因，导致专家们集中对5个备选着陆区进行了详细分析。他们使用“火星勘测轨道器”上的高分辨率成像科学实验仪探测北极地区。5个备选着陆区地形相对比较平坦，而且还遍布了大量的网状裂纹(可能是冰雪消融作用的结果)，而“凤凰号”上安装的机械挖掘臂能够深入这些裂缝中采集土壤样本。

通过“火星勘测轨道器”和“奥德赛”火星轨道器确定了3处着陆点，以确保“凤凰号”安全着陆。在用颜色划分的着陆区域，涂有绿色的地方被认为是最安全的地方，称此为“绿色流域”。选择着陆地点的要素是既安全又具有科学探测价值，而安全是第一位的，如果不安全，其它方面将不予考虑。在发射前的3个月，科学家们一直在对“凤凰号”的火星着陆地点进行反复的论证，最终选定了火星北纬65度到75度范围的地区。人们希望“凤凰号”能够在零下100摄氏度的条件下工作。

“凤凰号”着陆期间，着陆区那里的土壤在经过了漫长的冬天之后刚刚暴露在阳光之下，地表和大气之问开始相互作用，这对了解火星气候的历史是非常重要的。另外，在火星极区的夏天没有日落，所以“凤凰号”能有最大的日照时间，这有利于太阳能电池翼供电，而阳光对于将蓄电池保持在温暖的状态也是重要的。火星极区富含冰的土壤可能是微生物可

以保存的唯一地方，在这个区域取样可以深入了解火星的可居住性。

为什么不用气囊着陆

“凤凰号”面临的最大麻烦是如何能在火星北极安全着陆。自1976年7月20日“海盗号”探测器首次软着陆火星以来，“凤凰号”将首次采用减速推进器而不是气囊着陆火星。在最近，“火星探路者”、“勇气号”和“机遇号”3次着陆火星过程中都使用了安全气囊。此前，最近的一次尝试用火箭推进器着陆火星是1999年12月初发射的“火星极区着陆器”，但登陆失败了，其主要原因是当时得出的火星地形信息有误。“火星极区着陆器”的降落伞打开时，由于错误的信息发出了错误的着陆指令，导致减速推力器提前关闭，“火星极区着陆器”因此直接撞上了火星而四分五裂。

不使用气囊着陆是因为“凤凰号”质量太大，达328千克，气囊难于保证软着陆的安全。“凤凰号”将以受控方式进入火星大气层，通过重心偏置产生一定的升阻比；使用改进的“阿波罗”飞船导引程序，将保证着陆点在预定着陆点15千米的误差范围内；同时采用HG9550着陆雷达提供导引和控制，精确测量着陆器的垂直速度和水平速度，以尽可能降低着陆瞬时的速度，以保证安全着陆。

与以往发射的火星探测器一样，“凤凰号”也采用防热罩来减缓其高速进入过程，然后通过超声速降落伞进步把速度降低到201千米／小时。着陆器随后同降落伞分离，以脉冲方式工作的下降火箭发动机点火工作，在着陆前把速度降至约8.45千米／小时。

这次设计师们非常小心地设计了“凤凰号”的着陆过程和“凤凰号”降落时使用的减速推力器系统。他们在“凤凰号”上分3处安装了12台发动机。这些发动机可以不同长度的脉冲快速点火推进。在降落伞打开后，它们必须坚持35秒钟，以确保“凤凰号”在火星上实现软着陆。

为此，洛马公司对“凤凰号”推力器系统进行了特别的点火测试，使工程师们重点了解到了“凤凰号”的完整结构和操作性能。漫长的测试包括阀门的开和关、在高压下让肼燃料导入着陆器的油泵里、火箭发动机产生的噪音和振动等。经过测试，证明了减速推力器系统安全、可靠，并减少了着陆火星时的噪音，由此使工程师们对“凤凰号”可控制下降的信心大增。

让“凤凰号”穿过火星大气层降落到火星地面，是最令人恐怖的阶段。美国航空航天局喷气推进实验室的“凤凰号”项目经理戈德斯坦说，“我们有7分钟的恐怖。将这样一个交通工具从每小时2.03万千米的高速和高热下变成零速度且只行进1.609万千米，是一件不容易的事情。”

距离火星表面125千米，“凤凰号”进入稀薄的火星大气层，大气的摩擦力使其减速。着陆器速度降低到马赫数1.7，降落伞展开，抛掉防热屏蔽壳，着陆雷达开始工作，着陆器腿伸开。着陆器下降到距火星表面1千米时与降落伞分离；距火星表面570米，减速推力器点火。距离火星表面12米或速度降到2.4米／秒，着陆器以恒定速度下落。当传感器探测到接触火星表面，肼燃料缓冲火箭熄火。“凤凰号”和地面上的控制员将一分一秒地等待着火星上扬起尘土，时间长达半小时，缓冲发动机有可能将尘土冲到火星稀薄的大气中。

在下降着陆过程中，着陆器通过x和UHF两种频段与地面或环火星轨道上的轨道器保持无线电联系。每个频段各有3副天线，均匀分布在防热屏蔽壳的钟形罩上，以保证整个下降着陆阶段与地球的通信联系。

“凤凰号”着陆后将会展开太阳能电池翼以产生电力。此外，其“健康状况”将发送给在头顶飞过的“火星勘测轨道器”或“奥德赛”。接着，“凤凰号”开始度过在火星上的第晚。科学家重点关注的是第一晚它能否幸存下来，如果能做到，就能获得着陆点第一夜的全景照片。

最后，我们衷心祝愿“凤凰号”一路走好，顺利到达目的地，并圆满完成任务。

责任编辑　兆　然

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