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明年是火星年,欧洲宇航局ExoMars计划将如何探测火星生命

时间:2019-12-03 02:14:48 来源:本站 阅读:4019611次

火星生命的寻找者ExoMars

欧洲宇航局的ExoMars火星探测是极光探测计划的第一步,由ESA欧洲宇航局和俄罗斯宇航局合作开发,ExoMars计划在2020年把欧洲的漫游者火星车和俄罗斯的地面平台送到火星表面。俄罗斯宇航局质子火箭将被用来进行发射任务,到达火星需要9个月的旅程。ExoMars的漫游者将漫步火星表面寻找生命迹象,它将使用钻头收集样本,并用新一代仪器进行分析。ExoMars将是第一个结合火星表面移动探测和深度研究能力的任务。

明年是火星年,欧洲宇航局ExoMars计划将如何探测火星生命
欧洲宇航局ExoMars火星漫游者和地面平台着陆过程

在发射和巡航阶段,欧洲宇航局的一个运载舱将在护罩内运送地面平台和漫游者。在到达火星大气层之后不久,下降舱将与运载火箭分离。在下降阶段,隔热罩将保护有效载荷免受严重的热流影响。降落伞、推进器和阻尼系统将降低速度,允许在火星表面进行受控着陆。

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ExoMars火星漫游者

ExoMars计划的科学目标是:

•寻找火星上过去或者现在生命的迹象

•研究浅地下深度的水源,确定有没有水,无论是液态还是其他形态

•调查火星大气中的痕量气体及其来源

上述活动将按照欧洲航天局的行星保护政策进行,该政策符合宇宙空间行星保护建议。ExoMars计划的另一个目标是通过TGO跟踪气体轨道器为火星表面的着陆器提供数据中继服务,直到2022年底。

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俄罗斯宇航局和欧洲宇航局的合作任务,ExoMars火星车和地面单位组合在一起

2.9吨SCC航天器复合材料由意大利泰利斯·阿莱尼亚航天公司根据欧洲宇航局合同研制。俄罗斯宇航局将提供的CM运载模块和2吨DM下降模块,下降模块将携带欧洲宇航局提供的350公斤火星探测器模块。

着陆器是一个用于研究着陆地点火星环境的表面平台。着陆器计划寿命为2个地球年,将包括12个仪器:TSPP4部摄影机,mtk气象套件,rat-m辐射计,maigret磁强计,SAM检波器,劳拉火星测地学仪器,pk尘埃研究仪器,m-dls大气激光光谱仪,微量气体傅里叶光谱仪,mgak火星气体分析组件,adron-em微尘分析光谱仪,湿度及辐射感应器。

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在着陆工作稳定后,欧洲宇航局负责的火星车将离开地面单位

ExoMars 2020火星车漫游者有效载荷

ISEM ,ExoMars红外光谱仪

ISEM是一种可以使用铅笔粗细光束探测的红外光谱仪,它将在近红外范围内测量太阳辐射,对ExoMars漫游者附近的地表矿物学进行大致环境评估。该仪器将安装在漫游者的桅杆上,并将与全景相机PanCam、高分辨率相机HRC等科学载荷一起操作。ISEM将研究探测器附近火星表面的矿物学和岩石学组成,并与其他遥感仪器相结合。

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ExoMars科学载荷分布,ISEM在桅杆上安装

科学家对含水矿物特别感兴趣,如层状硅酸盐、硫酸盐、碳酸盐岩等矿物。仪器可以覆盖1.15至3.30之间的光谱范围。ISEM光学头安装在桅杆上,其电子盒位于漫游者体内,另外ISEM的质量为1.74公斤。

ISEM与PanCam高分辨率相机还有广角相机WAC一起安装在漫游者的桅杆上。通过桅杆的平移和倾斜结构,ISEM可以在方位角和仰角上指向特定的方向。在正常操作中,视场为37°x 37°的PanCam和WAC将成像一个大的全景图,而视场为5°x 5°的PanCam HRC将在这个全景图中以高分辨率成像几个目标。

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ExoMars全载荷双角度分析

ISEM的主要科学目标是:

•寻找和研究含有氢氧根或水的矿物

•对火星表面最上层矿物和岩石进行地质调查和研究

•识别和绘制着陆地点的任何水蚀迹象的结构

•对选定区域的地表成分进行实时评估,以支持识别和选择最有前景的钻井地点

•在有限的观测周期内,尽可能地研究大气尘埃特性和大气气体的组成变化。

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ExoMars富兰克林着陆器桅杆结构的科学载荷

Ma_MISS,火星多光谱地下研究成像仪

Ma_MISS实验是由ExoMars 2020富兰克林探测车钻机系统承载的可见近红外VNIR小型化光谱仪。Ma_MISS将执行红外光谱反射率在0.4至2.2µm的调查范围,矿物学特征挖掘钻孔壁的深度介于1厘米至2米。仪器狭缝利用钻柱的运动特性,可以对钻柱进行扫描,建立井眼的高光谱图像。Ma_MISS仪器的主要目标是研究火星的地下环境。在ExoMars 2020着陆点,地下沉积物可能含有并保存着水冰和水化物质,这将有助于我们了解水在火星上的信息。

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Ma_MISS在富兰克林漫游者的钻头之内

Ma_MISS光谱范围和取样能力已经仔细选择过了,以便在收集样品之前就地研究矿物和其他物质。Ma_MISS位于ExoMars富兰克林漫游者的钻头内,是与火星表面最接近的仪器。Ma_MISS将成像该钻孔机为研究火星矿物学和岩石形成而形成的井壁。这将为研究地下土壤和岩层提供有价值的资料。与水有关的矿物的分布和状态,这也将有助于描述火星的物理环境。

Ma_MISS可以通过位于钻具上的一和窗口照亮洞的圆柱形壁。它将捕获反射光,分析其光谱,并将孔层学的数据传输到漫游者计算机上,进行进一步的分析并传回地球。

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这张图片是在意大利帕多瓦大学空间研究与活动中心CISAS中拍摄的,为我们展示了带有蓝宝石MA_MISS窗口和光学头的钻具工程模型

ADRON-RM,中子辐射自主探测器

ADRON-RM是一个俄罗斯项目,被欧洲航天局选定作为联合着陆任务。俄罗斯宇航局设计了一种紧凑的无源中子星光谱仪ADRON-RM,用于研究沿着ExoMars探测器行走路线的水和中子元素。

在探测器上,ADRON-RM将测量火星表面中子通量的空间变异性。该仪器还将对辐射背景的中子成分进行持续监测,并增加我们对火星表面辐射的了解,这将为今后人类前往火星的任务提供信息。

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出发前进的富兰克林火星漫游者

ADRON-RM科学调查的主要目标包括:

•测量固定平台位置和漫游者沿线的体积氢含量分布。

•评估固定平台位置和漫游者导线沿线主要土壤中子吸收元素的体积组成。

•监测自然辐射背景的中子成分,估算来自GCRs宇宙射线和SPEs太阳粒子事件的火星表面中子辐射程度。

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ExoMars地面工作台

ADRON-RM是一个集成模块,其原理和设计来自于NASA 2011年MSL漫游者任务上的DAN中子动态反照率仪器。当年DAN由探测器两侧集成的两个独立单元组成,分别是脉冲中子发生器和探测单元。DAN可以在主动和被动测量模式下工作,在主动模式下,DNA/ PNG脉冲中子发生器产生2µs脉冲高能中子。

CLUPI,特写成像仪

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CLUPI成像仪特写镜头

ExoMars火星车搭载的CLUPI是一个功能强大的高分辨率彩色相机,专为近距离观察而设计,另外它在可移动钻机上有很多种角度可以选择。该仪器的科学目标是根据结构和颜色对岩石进行地质特征描述,并寻找潜在的生物特征。CLUPI将通过勘测地质环境,获取岩石的近距离图像,钻孔顶部等数据。

该相机系统将以非常精细的方式拍摄岩石和松散物质的图像,分辨率为几十微米到几厘米不等。这些图像将帮助科学家确定环境,比如水环境、火山环境等等。

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ExoMars近距离成像仪Clupi在欧洲航天局位于荷兰的技术设施进行了最后的校准测试

CLUPI的另一个非常重要的目标是在岩石上寻找形态生物特征。可能存在于火星上的原始微生物类型非常小,都不到一微米或不超过几微米,但它们的菌集群和生物膜要大得多。这些特征的痕迹可能以碳残留物的形式保存在火星岩石中。CLUPI还是一个成像器,具有从10厘米到无限远的聚焦能力。为了给彩色图像,相机有三层像素,也就是红、绿、蓝。

MOMA,火星有机分子分析仪

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MOMA仪器在无尘真空室GSFC的特写镜头

搭载在漫游者上的MOMA仪器的目的是分析火星表面和地下沉积物中挥发性和难降解的有机化合物。MOMA必须先挥发有机化合物,这样才能被质谱仪MS检测到。如何挥发有机材料呢?有两种操作模式:分别是蒸发诱导或热化学分解挥发。

MS及其驱动电子设备,以及主要电子设备,是由美国宇航局戈达德太空飞行中心GSFC,密歇根大学空间物理研究实验室和巴特尔工程公司共同开发的。激光驱动电子学是在MPS上建立的,而激光头LH是在汉诺威激光中心LZH设计和建立的。另外,MOMA是ExoMars漫游者中最大的仪器。

MicrOmega影像系统

MicrOmega是一种可见的近红外高光谱显微镜,设计用于研究表征火星样本的结构和组成,这些样本会被放在ExoMars小型分析实验室仪器上。光谱范围大约是0.5至3.65µm,光谱采样范围是0.95至3.65µm。MicrOmega已经可以对大多数矿物成分进行识别。

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MicrOmega特写镜头

MicrOmega主要用于在颗粒尺度上识别火星样品的矿物和分子组成。MicrOmega连同刚才提到的MOMA和RLS分光计将对收集到的样品进行特征分析,特别是其中可能含有的有机物。这些仪器的组合数据对于描述火星过去和现在的地质过程、气候和环境,特别是帮助确定碳或水存在的证据,将是至关重要的。

PanCam,全景照相机

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欧洲宇航局工程师看着PanCam科学载荷

PanCam可以和其他科学载荷合作,为该任务建立地表地图地貌背景。PanCam的设计包括一对立体广角相机WACs,每个广角相机都有11个位置的滤光轮和一个高分辨率相机HRC,用于远距离岩石纹理的高分辨率调查。摄像机和电子设备被安置在一个光学实验台上,为漫游者桅杆和行星保护屏障提供机械接口。

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PanCam的集成工作和检测工作进行时拍摄到的图片

PanCam还将支持其他漫游者仪器的科学测量。它将捕捉难以进入的高分辨率地点的图像,比如火山口或岩壁。它还可以监测钻取的样本,然后将样本摄入并在漫游者内压碎进行分析。

RLS,拉曼激光光谱仪

拉曼光谱仪是基于入射单色光物质的非弹性散射而发展起来的一种著名的分析技术,在实验室和工业上有许多应用,但在空间应用的比较少。

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RLS拉曼激光光谱仪特写镜头

ExoMars 2020的拉曼仪器由三个主要单元组成:耦合到CCD探测器的透射光谱仪,电子盒,包括控制仪器功能的激光器,除此之外具有自聚焦功能的光学头,用于照明和收集被测点的散射光仪器。

拉曼仪器为矿物和生物标志物的最终鉴定和表征提供了强有力的数据。拉曼光谱对任何矿物或有机化合物的组成和结构都很敏感。这种能力提供了火星现存或过去生命特征的直接信息,以及有关火成岩、变质岩的沉积过程。

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RLS透射光谱仪特写镜头

拉曼还将通过将其光谱信息与其他光谱和成像仪器(如MicrOmega红外光谱仪)相关联来支持科学测量。此外,拉曼仪器能够在几分钟内测量样品,以便释放选定的样品供其他ExoMars仪器(例如MOMA仪器)进一步分析。

WISDOM智慧,水冰地下沉积观测雷达

寻找火星上过去或现在生命存在的证据是ExoMars漫游者任务的主要目标。在哪里可以找到这样的证据呢?很可能是在地下,那里的有机分子不受电离辐射的破坏。

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富兰克林在火星的模拟图

所以智慧探地雷达设计可以提供从3到10米的垂直分辨率(分辨率是3厘米),这取决于风化层的介电性能。这一深度范围对于了解地质演化地层学、地下水的分布和状态至关重要。同时智慧探地雷达也为寻找生命和确定最佳钻探地点提供了重要线索。

智慧雷达将通过探测火星地表上层,提供其浅层地下结构的详细视图。与传统的成像系统或分光仪不同,传统的成像系统或分光仪仅限于研究可见光表面,智慧探地雷达可以提供漫游者所覆盖地形的三维地质背景图。

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智慧雷达天线飞行模型

智慧将利用超高频探地雷达的雷达脉冲(500兆赫到3兆赫的频率范围)远程研究地下结构的性质,绘制地下层图。它将提供高分辨率的测量,垂直分辨率为3厘米,深度为3米,与探测车钻头2米的长度互补。该仪器可以通过安装在漫游者背面的两个小天线收发信号。智能测量将通过确定潜在目标的性质、位置和大小来确定最佳的钻探地点。

明年的主角之一,ExoMars

明年是火星年,欧洲宇航局ExoMars计划将如何探测火星生命

其实看到这里大家就明白了,ExoMars无论是什么科学载荷都是围绕着寻找有机物或者火星生命而来的。确实,火星到底有没有生命,这是科学家们也是我们最想探究的问题。除此之外,ExoMars还需要研究浅层地下结构和地表结构,绘制一些专业地图。这样我们可以知道火星表面曾经有没有河流存在的痕迹,也可以明白火星地下水是否存在。

新火星探测时代即将到来,我国的火星探测器,美国宇航局的火星2020探测器,还有欧洲宇航局和俄罗斯宇航局的ExoMars,都是非常优秀的任务。关切火星环境和火星生命,就是为未来人类的火星任务,甚至是为移居火星做准备。

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火星殖民地渲染图

多年的问题即将揭开,火星将成为继月球以来,人类了解的最深的星球。加油,2020。

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