2004年,美国宇航局(NASA)发射了两台火星漫游车:“勇气号”和“机遇号”。 这两台火星探测车最初设计用于拍摄、探索和研究火星表面的任务,设计寿命只有90天。然而,这两台太阳供能探测车的运行时间远远超过了它们的设计寿命。相隔半个火星的勇气号和机遇号,揭开了一个人类长久以来一直充满好奇的红色星球。
从赤铁矿球团到沉积岩,都是火星过去有丰富的水的证据。近距离观察到火山口壁和沙丘,在火星上发现了第一个铁陨石。因为一直在各个地方探索,机遇号成为了在另一颗行星上足迹最多的探测车。
勇气号运行了六年,直到2010年,它的太阳能板上积满了灰尘,再也不能继续漫游。它一直是一个固定的科学站,直到它的低电池寿命迫使该研究团队完全放弃运作。截至目前,另一台漫游车机遇号仍在工作。
机遇号因为太阳能电池板上积累了灰尘,数次险遭毁灭。但受益于风,太阳能电池板上的灰尘又被吹走,使其能够按计划继续运行。不幸的是,它目前正处于有史以来最严重的沙尘暴中,研究团队正面临着一个大家不愿看到的情况,那就是在火星上已经工作14多年(将近5300天)的机遇号将迎来任务的终结。
不得不令人惊叹,一个为90天任务设计的探测车已经持续工作了14年,但事实上,勇气号和机遇号本都可以持续更长的时间,甚至可能是无限期的。这是为什么呢?
首台火星漫游车是1997年的索杰纳火星车,它的质量只有11公斤,长度大约0.6米,是为一项7天的任务而设计的。在非常谨慎的操作下,当基站联系中断时,它几乎进行了整三个月的活动。通过前后方摄像头,它在火星表面不同位置拍摄了第一组火星照片,任务结束时行驶距离超过了100米。
因此,下一代需要更大,更坚固,更持久,并且能够走得更远。新的两台火星探测车——机遇号和勇气号,配备大量的科学仪器和高级照相机。它们不需要一个基站,可以直接与地球通信。勇气号和机遇号被设计为至少持续90天,希望通过过度设计探测器,它们可能会持续更长的时间。
最大的忧虑之一是动力。早期阶段考虑了许多选择:放射性同位素、电池和太阳能电池板。根据来自索杰纳的发现结果,火星尘埃会堆积在太阳能电池板上,但是电力只以每个火星日大约0.29%的极慢速度损耗。在90天的任务中,这意味着总共减少了23%的电力。因此,对于如何设计勇气号和机遇号有许多选择。
一种选择是安装一些机械装置,如雨刷,以去除任何积累起来的火星尘埃。在地球上,雨刷非常普遍,所以这似乎是解决这个问题的明显方法。但是涉及到灰尘聚集在像太阳能电池板一样的表面上时,火星和地球在两个重要方面有很大不同。
(1)火星尘埃非常小,非常细。火星上的大气尘埃直径约为3微米,并通过静电力粘附。我们不能像在地球上那样“刷掉它”,大量尘土会依然存在。
(2)火星上没有液体可以进行帮助。火星上的水不会保持液态(除了少量的高氯酸盐水),并且只能携带有限数量的液体。干擦运动会损害帆板表面,这就变成糟糕的解决方案。
不过,还有更好的选择。雨刷较重且复杂,在火星的极端温度下会受到损坏,很容易破碎。第二种解决方案是设计可以倾斜的太阳能电池板。由于火星通常有持续不断的低水平风,所以任何尘埃的积累都可能被火星的自然环境吹走。事实上,火星上有“自然”的清洁事件,但在设计这些漫游车时并不知道。偶尔一晚上的风会把大量的灰尘吹掉,只有在一整个火星年一次风吹都没有的时候,探测器才会无法运行。
这些电池板本可以配备一种静电驱除灰尘的机制。通过对电池板本身充电,一些电荷会转移到尘埃颗粒上,从而导致相互排斥。然后,只要有风就会把悬浮的灰尘吹走,大大提高了探测车的性能。但缺点是有时灰尘颗粒会带电,而且我们无法选择电荷符号,特别是如果它们是很好的绝缘体的话。
最后的考虑是给这些漫游车配备一个压缩空气瓶(或火星空气压缩机)和一个鼓风机臂。就像我们可以用压缩空气来吹掉电脑上的灰尘一样,同样的物理原理在火星上也能奏效。因为只有限量的压缩空气,当自然清洁事件没有帮助复原火星车时,就需要非常节俭地使用它。
如果我们现在从头开始设计这些漫游车,利用现在我们知道的情况,就可以大大延长漫游车的寿命。
然而,NASA最终选择了最具成本效益的解决方案:直接建造更大的太阳能电池板。在90天的任务中,预计灰尘会使光线变暗23%,那么通过建造至少超过23%以上的太阳能电池板,将能确保漫游车拥有足够的能量。火星探测项目工程师Mark Adler表示,当面对清洁电池板的成本和复杂性时,最便宜和最低质量的方法都是使电池板变得更大。在高度受限的预算中,他们不能也不会花任何资金去超出任务要求。
现在,在火星上漫游超过45公里(有史以来最多),并经历5000多天之后,一场沙尘暴可能预示着机遇号的永久终结。
如果安装了一台额外设备,比如安装在机械手臂上的压缩空气鼓风机,那么布满灰尘的太阳能电池板就可以被清理干净。只要探测器有足够的能量储存在电池中来控制和操作鼓风机装置,即使是一个阻挡百分百光线的沙尘暴也不会造成灾难性后果。如果之前就安装了这种装置,那么勇气号本可以摆脱2010年的终结命运,而机遇号也不会像现在一样处于危险之中,经历巨大的沙尘暴。
不过,对于这两台大大超过预期完成任务的漫游车来说,它们的终结并不会让人过于悲伤。但对于下一次任务来说,这是一个宝贵的教训。如果能保护探测车免受火星尘埃的堆积,就有可能在火星上长时间持续运转。