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新的火星探测器已经准备好了使用空间激光器

发布时间:2021-01-20 10:54:46 | 人气:63

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江苏激光联盟导读:

2021年火星到到月球,人来探测外太空的任务更加繁忙,在这里,我们为大家揭晓毅力号火星探测车上的激光后向反射器的小秘密。


中国的“天问一号”也将于2月10日左右进入火星轨道,在环绕火星一段时间后,将于5月着陆。《纽约时报》报道称:“完好无损地降落在太阳系的第四颗行星——火星上是危险的。去年,中国的‘嫦娥五号’登上月球表面,带着月球的土壤返回地球;如果今年‘天问一号’在火星上成功着陆,中国举世瞩目的航天成就将再次创造历史。”

在“天问一号”进入火星轨道不久之后,也就是2月18日,美国国家航空航天局(NASA)的“毅力号”探测器将抵达并着陆火星。如果成功着陆,火星车将在干涸的火山口湖和河床中寻找火星上曾存在生命的证据。“毅力号”还将携带一架名为“匠心号”的小型火星直升机,“匠心号”将进行独立实验,那就是在火星表面执行第一次动力飞行。这架微型无人机将是人类在另一个星球上试飞的第一架直升机

近距离观察NASA的毅力号火星探测器,可以观察到一个手掌大小的圆顶,这一手掌大小的圆顶称之为激光后向反射器阵列(Laser Retroreflector Array (LaRA))。在不久的将来,配备激光的火星轨道器可以使用这一反相器进行科学探测。火星号已经配备了这一装置,并且正在NASA的喷气推进实验室进行运行,喷气推进实验室是NASA位于加州理工学院在帕萨迪纳的一个分支结构。后向反射器由意大利的国家核物理研究所提供的,该反相器代表意大利航天局而构建的这一仪器。

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INsight相机校准目标 ,激光反向器和微芯片:一个相机型准目标位于NASA的Insight的梯子的甲板上
▲图解:用参与该发射任务的国旗进行装饰



当阿波罗航天员在月球上登陆的时候,他们携带的科学仪器称之为后向反射器,这是一种非常关键的小的排列的镜片。对于科学家来说,在地面上瞄准激光并计算出花多长时间能够让激光返回。这为月球轨道和形状的精密测量提供了额外的信息,包括它是如何受到地球的影响而发生的微小的改变。

在安波罗登月时代所使用的后向发射器一直沿用到今天,科学家打算在火星上实施类似的实验。NASA的毅力号火星车——按照计划将在2021年的1月18号对火星进行发射,将携带巴掌尺寸大小的激光后向反射器排列(Laser Retroreflector Array (LaRA))。这些反射器排列同样是体积非常小的,安装在火星登陆车的Insight梯子上,称之为Insight的激光后向反射器。并且一个反射器将会安装在欧洲航天局(ESA (European Space Agency))的火星车上,计划在2022年进行发射。

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欧洲航天局的火星探测船ExoMars rover


而在当前还没有这样的激光在这类火星研究上开展过类似的研究,这些器件面向未来而使用:反射器就像这些在某天可以使得科学家能够实施称之为激光测距研究来测量火星车在火星表面的位置,验证爱因斯坦的广义相对论,帮助在将来登录火星时开展更加精密的研究等。

激光后向反射器是闪亮的,点状位置标记,Simone Dell'Agnello说到,他是位于意大利国家核物理研究所的所有三个反射器的发展研究的领导者,该研究所是意大利航天局的代表性装置。由于他们非常简单和无需维护,该装置可以稳定运行几十年的时间。

一盒子的镜片

这些装置工作起来有点像自行车反光镜,将光返回到光源发射的位置方向。火星号的激光反向反射器,举例来说,是一个2英寸宽(5cm宽)的圆顶斑点,具有0.5英寸直径的孔洞,孔洞包含玻璃单元。每一个玻璃单元,三个镜面以90°放置在另外一个镜片的对面,这样光就可以进入孔洞,然后直接反射回来到达他发射出来的位置。

激光后向发射器非常小,比登月时所使用的反相器要小得多。早期的样式,在阿波罗11和安波罗14上进行了发射,其尺寸大约为典型的计算机监控器大小,该监控器嵌入100个反射器。安波罗15上发射的反射器甚至要更大一些,嵌入了300个反射器。这是因为激光不得不旅行至少478,000 英里的路程(770,000公里)达到月球并返回到地面。通过这样的返回旅行,光束就变得非常微弱,从而不能被人眼所探测。

毅力号火星探测车和Insight号的激光反相反射器的光束在反射时可以经历非常短的旅行路程,尽管火星距离地球有249百万英里(410百万公里)的距离,这一距离是从地球的最远点计算的。而不是从地球上来回反射,这需要大量的反射器,激光束将刚好可以来回反射,在装备适合的激光的时候,对未来的火星轨道就可以来回反射。

启蒙科学

这一轨道器可以确定在火星表面上反射器的精确位置。并且由于毅力号火星车将会是可以移动的,它可以提供多个参考位置点。与此同时,轨道器的位置将会从地球上进行定位。这就使得科学家可以测试爱因斯坦的广义相对论,当他们在月球上配备反射器的时候。每一个星球的轨道都极大的由于太阳的巨大的质量送造成的时空弯曲所影响。

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▲1971年2月5日激光测距回复反射器的近距离观察, 为阿波罗14航天员部署于月球上的月球表面舱外活动照片



这一类型的科学对于理解太阳系中的重力的影响非常重要,以及整个宇宙对重力的影响,最终对黑物质和黑能量的影响。

在Insight的登月梯子中,是在2018年11月26日完成的,激光测距科学同时可以帮助航天员完成研究火星的内核这个重要的任务。Insight号主要依靠一个收音机仪器来探测星球旋转的微弱区别。在从仪器中研究星球随时间的摆动,科学家也许可以探测火星的内核是液体的还是固体的。

如果科学家团队能够使用登月梯的反相反射器,他们将能够得到更多精密的定位数据,这一数据比Insight的收音机仪器所测得的数据要精密得多。激光后向反射器同时可以探测Insight的地形随时间和探测方向变化得情况,揭示出火星表面外壳是膨胀或者收缩了。

在火星上实现更好的着陆

火星上的着陆是比较困难的。为了帮助毅力号火星车可以安全的在火星上着陆,发射任务将会依靠地形相对导航来完成,地形相对导航是一项新的技术,通过对下降到一个着陆地图时拍摄的照片进行对比而实现的一种技术。如果航天员发现他将接近一个危险的区域时候,如悬崖或沙丘,它就可以移走到另外一个位置。

但在这一关键的发射任务中,你永远不会有较多的备选方案。将来的任务飞向火星表面时将会使用来自激光后向反射器所得到的参考点来检查他们的地形相关导航系统的性能,并且有可能提高的准确率到几个厘米。当成功的着陆到一个诱人的地质构造或从火山口陡坡上滑下来之间的区别可以仅用脚来进行测量时,此时反射器就非常关键了。

激光测距将会为火星的探测开辟一个新的天地。

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毅力号火星登录车的火星岩石成分分析仪在工作中(艺术图)


关于此次火星发射的更多任务

毅力号火星发射器发射任务的一个关键目的就是太空生物学问题,包括研究古代微生物的信号等问题。火星车同时会表征星球的气候和地形,为人类探索火星铺平道路,并且作为第一个收集和缓存火星的岩石和风化层(破碎的岩石和灰尘)。接下来的任务,NASA考虑的是时同欧洲航天局合作,将发射航天器到火星上来收集这些火星表面缓存的样品和将他们带回地球进行深入的分析。

在NASA的管理下的喷气推进实验室(JPL),位于加州理工学院在帕萨迪纳,2020年的毅力号火星是巨大项目中的一部分,包括为登月以及为人来登录火星作准备。为了实现在2024年从月球上返回航天员,NASA将会在2028年建立一个可持续的月球上的人类居住和围绕月球探月计划,这一计划称之为阿耳特弥斯月球探测计划。


文章来源:NASA和新华社,phys

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