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祝融号在火星“打洞”:发射百万瓦强激光脉冲,目标瞬间气化

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本月中旬,中科院国家空间科学中心发布消息,祝融号火星车在火星乌托邦平原发现含水矿物,此前人类部署火星的遥感卫星也曾多次探测到火星有水的信息,但这些都是间接证据,而祝融号的此次发现是国际首次,也为未来实施基于火星资源保障的载人登火工程奠定了基础。


祝融号火星车全景相机对车尾方向成像

祝融号发现火星含水矿物的载荷是“红外光谱仪”,科研人员结合短波红外光谱和导航地形相机数据发现了富含含水硫酸盐等矿物的岩化板状硬壳层,这可能是由地下涌溢或者毛细作用蒸发结晶出的盐类矿物胶结了火星土壤后经岩化作用形成。


祝融号全景相机拍摄的火星岩石

此次发现也证明在地外天体探测中,不同地点的科学考察可以获得更加丰富且有价值的信息。

再以月球为例,虽然NASA阿波罗登月工程实施了6次成功的登月任务,获得了大量的月球样本,但其所获得的信息仍然有限,而我们通过嫦娥五号月球采样返回任务的科学研究证明了月球地质寿命还可以延长10亿年,由此可见在人类探测地外天体的工作中的科学认知误差有多大。基于此,嫦娥探月工程后续还将实施第二次月球采样返回任务“嫦娥六号”,以实现赴月球不同点采样的目标,届时人类对于月球的认识还将再次更新。


嫦娥五号月面采样

月球很大、火星也很大,它们完全容得下太平洋两岸的两个主要玩家,这也是为什么别人上去了我们也必须上去的价值与原因所在。

祝融号火星车重约240公斤,其总体规模超越了NASA的勇气号与机遇号,是人类部署火星最大规模的太阳能动力火星车,配置有人类首次应用于火面巡视探测的主动悬架系统,六轮驱动,具备蟹行移动、原地转向、尺蠖运动、抬轮行进等一系列高难度移动功能,复杂地形适应力强。


分离相机拍摄的祝融号火星车

作为我国在火星表面部署的唯一科学资产,祝融号除了具备优异的行进能力,也配置了尽可能全面的科学探测设备,该星球车总计部署了6台科学载荷,分别是,全景导航地形相机、多光谱相机、火星车次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪。

唯一的遗憾是受限于整体规模,不能配置机械臂。我国部署地外天体的三辆星球车中,只有玉兔号配置有机械臂。

车载机械臂可以用于抵近星体表面进行细致探测,也可以抓取样本放入设备中进行研究分析。


玉兔号月球车投放的车载机械臂

祝融号虽然没有机械臂,但它却有一款高能设备可以在火星表面“打洞”,它就是6台科学载荷中造价最高昂的“火星表面成分探测仪”,它属于矿物类探测设备,前文所述发现含水矿物的“红外光谱仪”便是“火星表面成分探测仪”的组成部分。

火星表面成分探测仪具备“激光诱导击穿光谱探测(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)”功能,同时兼具“短波红外光谱”和“显微成像”功能。


表面成分探测仪的“二维指向镜”与“光学探头”

LIBS激光诱导击穿光谱探测指的是发射高能激光至火星表面探测目标,通过高温烧蚀目标,使其直接气化,然后探测气化过程中产生的光谱,光谱特征就如同人的指纹一样具备独一性,因而可以据此判断探测目标的元素组成与矿物类别。

祝融号可发出瞬时功率百万瓦的强激光脉冲,被照射的目标瞬间就能被加热到上千摄氏度,作用距离最远可达10米,被照射目标可产生约0.2毫米的孔洞。


祝融号激光诱导击穿光谱探测效果图

此类探测手段极具优势,它无需对探测目标样本进行预处理,可直接剥离目标的涂层、灰尘及风化物,可对包括固体、液体、气体、气溶胶等各种形态目标直接进行原位探测分析。NASA的好奇号与毅力号两辆火星车也都有配置同类型有效载荷。


NASA的毅力号火星车也配置有同类载荷(效果图)

“火星表面成分探测仪”系统组成包括,光学探头、二维指向镜、光谱仪、LIBS定标板、短波定标板、载荷控制器,其中位于车体舱外的设备是,安装于车体前部的光学探头、二维指向镜、短波定标板,以及车体尾部的LIBS定标板,其余设备均在车体内。


祝融号车体尾部的LIBS定标板

火星表面成分探测仪是在祝融号登陆火星18天后首次开机,当时科学家们选取了距离祝融号2.8米和3.8米远的2块火星岩石进行激光诱导击穿光谱探测,开机时刻是下午的两点左右,此时探测目标可有更适宜的太阳光入射角,从而获得更加清晰的光谱。


激光诱导击穿光谱探测前火星表面的目标区域

具体工作流程是,祝融号全景导航相机获取周边精细三维立体影像,然后科学家选取兴趣目标点,之后二维指向镜先是转动至后方,与车体尾部的LIBS定标板进行定标,再瞄准被探测目标发射高能激光,同时记录光谱数据,最后将数据转发至火星上空的环绕器回传地球进行详细科学分析。


激光诱导击穿光谱探测后,被激光照射灼烧形成的孔洞。

从选择兴趣目标点到科学数据回传地球,整个作业周期约3天。

祝融号虽然是我国第一辆火星车,但却极尽一切可能在朝着引领超越的方向行进。

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