翻山越嶺的“蝸?！?/h1>
2013-12-29 00:00:00王紅楓
軍事文摘·科學(xué)少年 2013年5期
“好奇”號(hào)火星探測(cè)器于2011年11月發(fā)射，長(zhǎng)途跋涉8個(gè)多月后于2012年8月6日在火星成功著陸。這是美國(guó)發(fā)射的第四個(gè)火星探測(cè)器，也代表了當(dāng)今最前沿的外空探測(cè)技術(shù)。
那么，這個(gè)大小不如一輛迷你汽車的小家伙造價(jià)是多少？它跑起來(lái)快嗎？面對(duì)太空中危險(xiǎn)的宇宙射線，它該如何應(yīng)對(duì)？人們對(duì)“好奇”號(hào)如何進(jìn)行遙控操作？它靠什么來(lái)提供能源？下面就讓我們一 一破解這些問(wèn)題。
“好奇”號(hào)為什么這么貴
令人感到奇怪的是，美國(guó)大小報(bào)紙對(duì)“好奇”號(hào)的各種相關(guān)報(bào)道，往往關(guān)注的并不是它上面搭載的各種光譜分析儀，或是用來(lái)采集樣本的機(jī)械手，而是令人咋舌的24億美元項(xiàng)目開(kāi)支。
“好奇”號(hào)火星探測(cè)器長(zhǎng)2 .9米，寬2.7米，高2.2米，重量900公斤，尺寸還不如一輛迷你汽車。即使在黃金價(jià)格居高不下的今天，同樣重量的黃金也不過(guò)4千5百萬(wàn)美元，這24億美元都花在哪了呢？
原來(lái)24億美元項(xiàng)目開(kāi)支包括了為期8年的項(xiàng)目所有開(kāi)支，包括探測(cè)器研發(fā)、制造、發(fā)射，更有發(fā)射后龐大的地面支持團(tuán)隊(duì)的費(fèi)用。所以即便費(fèi)用如此龐大，有很多媒體還是認(rèn)為花費(fèi)絕對(duì)物超所值。
竟然比蝸牛還慢
“好奇”號(hào)有6個(gè)直徑50厘米的輪子，每個(gè)輪子都有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)，而前后4個(gè)還有獨(dú)立的轉(zhuǎn)向操作。不過(guò)它的速度可能會(huì)有些令人吃驚，最大速度是每小時(shí)90米，但平均速度每小時(shí)只有30米，就是說(shuō)比蝸牛還要稍微慢一點(diǎn)！
別小瞧了這只“蝸?！卑。赜械膽覓煜到y(tǒng)使它能夠爬過(guò)65厘米高的障礙、坡度12.5度的沙丘。而這一切都是在非常復(fù)雜的地形下，完全由計(jì)算機(jī)自主決策的，所以還是相當(dāng)不錯(cuò)的。
抗宇宙射線的探測(cè)器
“好奇”號(hào)有兩臺(tái)主控計(jì)算機(jī)，每臺(tái)使用的RAD750處理器有256兆內(nèi)存，主頻200兆赫，這是什么概念呢？
就是“好奇”號(hào)的內(nèi)存很小，比現(xiàn)在最便宜的山寨手機(jī)都小很多呢。不過(guò)，就是這樣一塊電路板卻要至少幾十萬(wàn)美元。為什么呢？
原來(lái)太空中無(wú)論是生物還是計(jì)算機(jī)都面臨一個(gè)巨大威脅——宇宙射線。生活在地球表面的我們由于有大氣層的保護(hù)，來(lái)自太空的高能粒子對(duì)我們并不構(gòu)成威脅，但是在太空中，這些粒子可以輕易穿過(guò)金屬外殼，對(duì)敏感的電子設(shè)備造成傷害。所以火星探測(cè)器所有電子器件都是經(jīng)過(guò)輻射加強(qiáng)處理的，即使在相當(dāng)強(qiáng)度的高能粒子的轟擊下仍能保持正常功能。
但對(duì)火星探測(cè)器這樣必須具備超高可靠性的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，光靠這個(gè)還不夠，因?yàn)橐坏┲饔?jì)算機(jī)失靈，整個(gè)探測(cè)器就如同斷了線的風(fēng)箏永遠(yuǎn)失去控制，24億美元就全打了水漂。因此探測(cè)器有兩臺(tái)完全對(duì)稱的計(jì)算機(jī)，任何一臺(tái)出現(xiàn)故障，另外一個(gè)都可以完全接管整個(gè)系統(tǒng)。這就像長(zhǎng)途駕車旅行，一定要確保備胎打好氣。
遙遠(yuǎn)的家書(shū)
大家都知道光速是速度的極限，但是，即使以每秒30萬(wàn)公里的速度，無(wú)線電信號(hào)從火星到達(dá)地球仍要14分鐘！
這么巨大的延遲給地面遙控帶來(lái)很多問(wèn)題。這好像我們給火星的朋友打電話，我們說(shuō)完“你好”，14分鐘后，朋友才聽(tīng)到問(wèn)候，等他回答后，又要14分鐘我們才能聽(tīng)到他的回答。在這長(zhǎng)達(dá)半小時(shí)的時(shí)間里我們只能等待。
因此，在對(duì)火星探測(cè)器的遙控操作中，都是非交互的單向傳輸，比如我們往往給探測(cè)器下達(dá)一串指令：“向前10米，放下機(jī)械手，鉆孔，采集樣品，放入光譜分析儀，傳回實(shí)驗(yàn)結(jié)果”， 然后我們就耐心等待返回結(jié)果吧。在等待的時(shí)間里，我們還可以對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行另外操作。
另外一個(gè)挑戰(zhàn)是傳輸速度?；鹦呛偷厍驑O其遙遠(yuǎn)的距離使信號(hào)變得非常微弱，在噪音的干擾下，探測(cè)器只能和地球以非常緩慢的速度通信。要想傳送一幅高分辨率的照片，往往需要一個(gè)多小時(shí)，如果是對(duì)探測(cè)器的計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件更新的話，就更是需要好幾天。
身手不凡的科學(xué)儀器
“好奇”號(hào)頂部的桅桿相機(jī)試驗(yàn)“好奇”號(hào)的轉(zhuǎn)向能力“好奇”號(hào)火星探測(cè)器上面搭載的設(shè)備很多，這些設(shè)備個(gè)個(gè)都有好身手，下面我們就選擇其中幾個(gè)來(lái)看一下吧：
主相機(jī)（2臺(tái)）：分辨率1600x1200
化學(xué)相機(jī)：它可以發(fā)射高強(qiáng)度的激光，將7米遠(yuǎn)的巖石樣品瞬間融化并變成蒸汽，其內(nèi)置的光譜分析儀則根據(jù)巖石蒸汽發(fā)光的不同波長(zhǎng)來(lái)確定巖石的化學(xué)成分。
氣體及固體樣本分析儀：用來(lái)分析火星大氣和土壤的成分。
輻射探測(cè)器：它可以探測(cè)飛行途中飛船內(nèi)部和火星表面的輻射強(qiáng)度，這給將來(lái)載人火星飛行提供了有力的科學(xué)數(shù)據(jù)。
機(jī)械手：長(zhǎng)2.1米，可以在巖石上打孔并將樣品送到相關(guān)分析設(shè)備，上面也裝有相機(jī)和x射線光譜儀。
持久供電的核電池
俗話說(shuō)：在家千日好，出門一日難。我們平常只要把電器的插頭接入墻上的電源插座就行了，可是在太空卻很難找到這樣的插座。你可能會(huì)想：人造衛(wèi)星都有太陽(yáng)能電池板，火星探測(cè)器也可以用啊！沒(méi)錯(cuò)，以前的兩個(gè)火星探測(cè)器“勇氣”和“機(jī)遇”都全靠太陽(yáng)能電池板來(lái)提供能源。但是這個(gè)設(shè)計(jì)有一個(gè)缺陷：每天只有幾個(gè)小時(shí)有比較充足的陽(yáng)光，這樣
探測(cè)器的活動(dòng)就很受外界條件的限制，尤其是在風(fēng)沙季節(jié)，太陽(yáng)能電池板經(jīng)常被沙土覆蓋，更使情況雪上加霜。
“好奇”號(hào)使用的是放射性同位素?zé)犭姍C(jī)，它利用放射性燃料衰變產(chǎn)生熱能，再由能量轉(zhuǎn)換器熱電偶將熱能轉(zhuǎn)換為電能，直接產(chǎn)生電流。也有人管它叫核電池?！昂闷妗碧?hào)使用的核電池重43公斤，可以持續(xù)提供100瓦的電能至少14年。這個(gè)電池成本約3600萬(wàn)美元，光是里面使用的4.8公斤钚-238核燃料，價(jià)值就超過(guò)2千萬(wàn)美元。
能計(jì)算路程的輪胎花紋
有些同學(xué)可能會(huì)注意到，一般汽車輪胎的花紋是重復(fù)的，所以在地面留下的痕跡讓人們無(wú)法判斷這個(gè)輪子轉(zhuǎn)了多少圈。
但是“好奇”號(hào)的輪子卻有著很獨(dú)特的花紋，這些花紋實(shí)際上就是摩爾斯電報(bào)碼的字母JPL——美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)稱。
這有什么用呢？對(duì)了，人們根據(jù)輪胎在地面留下的痕跡，就可以很容易地計(jì)算出探測(cè)器走了有多遠(yuǎn)。其實(shí)我們周圍有很多這樣巧妙的設(shè)計(jì)，你如果發(fā)現(xiàn)了，別忘了來(lái)信告訴我們喲！
“好奇”號(hào)火星探測(cè)器于2011年11月發(fā)射，長(zhǎng)途跋涉8個(gè)多月后于2012年8月6日在火星成功著陸。這是美國(guó)發(fā)射的第四個(gè)火星探測(cè)器，也代表了當(dāng)今最前沿的外空探測(cè)技術(shù)。
那么，這個(gè)大小不如一輛迷你汽車的小家伙造價(jià)是多少？它跑起來(lái)快嗎？面對(duì)太空中危險(xiǎn)的宇宙射線，它該如何應(yīng)對(duì)？人們對(duì)“好奇”號(hào)如何進(jìn)行遙控操作？它靠什么來(lái)提供能源？下面就讓我們一 一破解這些問(wèn)題。
“好奇”號(hào)為什么這么貴
令人感到奇怪的是，美國(guó)大小報(bào)紙對(duì)“好奇”號(hào)的各種相關(guān)報(bào)道，往往關(guān)注的并不是它上面搭載的各種光譜分析儀，或是用來(lái)采集樣本的機(jī)械手，而是令人咋舌的24億美元項(xiàng)目開(kāi)支。
“好奇”號(hào)火星探測(cè)器長(zhǎng)2 .9米，寬2.7米，高2.2米，重量900公斤，尺寸還不如一輛迷你汽車。即使在黃金價(jià)格居高不下的今天，同樣重量的黃金也不過(guò)4千5百萬(wàn)美元，這24億美元都花在哪了呢？
原來(lái)24億美元項(xiàng)目開(kāi)支包括了為期8年的項(xiàng)目所有開(kāi)支，包括探測(cè)器研發(fā)、制造、發(fā)射，更有發(fā)射后龐大的地面支持團(tuán)隊(duì)的費(fèi)用。所以即便費(fèi)用如此龐大，有很多媒體還是認(rèn)為花費(fèi)絕對(duì)物超所值。
竟然比蝸牛還慢
“好奇”號(hào)有6個(gè)直徑50厘米的輪子，每個(gè)輪子都有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)，而前后4個(gè)還有獨(dú)立的轉(zhuǎn)向操作。不過(guò)它的速度可能會(huì)有些令人吃驚，最大速度是每小時(shí)90米，但平均速度每小時(shí)只有30米，就是說(shuō)比蝸牛還要稍微慢一點(diǎn)！
別小瞧了這只“蝸?！卑。赜械膽覓煜到y(tǒng)使它能夠爬過(guò)65厘米高的障礙、坡度12.5度的沙丘。而這一切都是在非常復(fù)雜的地形下，完全由計(jì)算機(jī)自主決策的，所以還是相當(dāng)不錯(cuò)的。
抗宇宙射線的探測(cè)器
“好奇”號(hào)有兩臺(tái)主控計(jì)算機(jī)，每臺(tái)使用的RAD750處理器有256兆內(nèi)存，主頻200兆赫，這是什么概念呢？
就是“好奇”號(hào)的內(nèi)存很小，比現(xiàn)在最便宜的山寨手機(jī)都小很多呢。不過(guò)，就是這樣一塊電路板卻要至少幾十萬(wàn)美元。為什么呢？
原來(lái)太空中無(wú)論是生物還是計(jì)算機(jī)都面臨一個(gè)巨大威脅——宇宙射線。生活在地球表面的我們由于有大氣層的保護(hù)，來(lái)自太空的高能粒子對(duì)我們并不構(gòu)成威脅，但是在太空中，這些粒子可以輕易穿過(guò)金屬外殼，對(duì)敏感的電子設(shè)備造成傷害。所以火星探測(cè)器所有電子器件都是經(jīng)過(guò)輻射加強(qiáng)處理的，即使在相當(dāng)強(qiáng)度的高能粒子的轟擊下仍能保持正常功能。
但對(duì)火星探測(cè)器這樣必須具備超高可靠性的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，光靠這個(gè)還不夠，因?yàn)橐坏┲饔?jì)算機(jī)失靈，整個(gè)探測(cè)器就如同斷了線的風(fēng)箏永遠(yuǎn)失去控制，24億美元就全打了水漂。因此探測(cè)器有兩臺(tái)完全對(duì)稱的計(jì)算機(jī)，任何一臺(tái)出現(xiàn)故障，另外一個(gè)都可以完全接管整個(gè)系統(tǒng)。這就像長(zhǎng)途駕車旅行，一定要確保備胎打好氣。
遙遠(yuǎn)的家書(shū)
大家都知道光速是速度的極限，但是，即使以每秒30萬(wàn)公里的速度，無(wú)線電信號(hào)從火星到達(dá)地球仍要14分鐘！
這么巨大的延遲給地面遙控帶來(lái)很多問(wèn)題。這好像我們給火星的朋友打電話，我們說(shuō)完“你好”，14分鐘后，朋友才聽(tīng)到問(wèn)候，等他回答后，又要14分鐘我們才能聽(tīng)到他的回答。在這長(zhǎng)達(dá)半小時(shí)的時(shí)間里我們只能等待。
因此，在對(duì)火星探測(cè)器的遙控操作中，都是非交互的單向傳輸，比如我們往往給探測(cè)器下達(dá)一串指令：“向前10米，放下機(jī)械手，鉆孔，采集樣品，放入光譜分析儀，傳回實(shí)驗(yàn)結(jié)果”， 然后我們就耐心等待返回結(jié)果吧。在等待的時(shí)間里，我們還可以對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行另外操作。
另外一個(gè)挑戰(zhàn)是傳輸速度?；鹦呛偷厍驑O其遙遠(yuǎn)的距離使信號(hào)變得非常微弱，在噪音的干擾下，探測(cè)器只能和地球以非常緩慢的速度通信。要想傳送一幅高分辨率的照片，往往需要一個(gè)多小時(shí)，如果是對(duì)探測(cè)器的計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件更新的話，就更是需要好幾天。
身手不凡的科學(xué)儀器
“好奇”號(hào)頂部的桅桿相機(jī)試驗(yàn)“好奇”號(hào)的轉(zhuǎn)向能力“好奇”號(hào)火星探測(cè)器上面搭載的設(shè)備很多，這些設(shè)備個(gè)個(gè)都有好身手，下面我們就選擇其中幾個(gè)來(lái)看一下吧：
主相機(jī)（2臺(tái)）：分辨率1600x1200
化學(xué)相機(jī)：它可以發(fā)射高強(qiáng)度的激光，將7米遠(yuǎn)的巖石樣品瞬間融化并變成蒸汽，其內(nèi)置的光譜分析儀則根據(jù)巖石蒸汽發(fā)光的不同波長(zhǎng)來(lái)確定巖石的化學(xué)成分。
氣體及固體樣本分析儀：用來(lái)分析火星大氣和土壤的成分。
輻射探測(cè)器：它可以探測(cè)飛行途中飛船內(nèi)部和火星表面的輻射強(qiáng)度，這給將來(lái)載人火星飛行提供了有力的科學(xué)數(shù)據(jù)。
機(jī)械手：長(zhǎng)2.1米，可以在巖石上打孔并將樣品送到相關(guān)分析設(shè)備，上面也裝有相機(jī)和x射線光譜儀。
持久供電的核電池
俗話說(shuō)：在家千日好，出門一日難。我們平常只要把電器的插頭接入墻上的電源插座就行了，可是在太空卻很難找到這樣的插座。你可能會(huì)想：人造衛(wèi)星都有太陽(yáng)能電池板，火星探測(cè)器也可以用啊！沒(méi)錯(cuò)，以前的兩個(gè)火星探測(cè)器“勇氣”和“機(jī)遇”都全靠太陽(yáng)能電池板來(lái)提供能源。但是這個(gè)設(shè)計(jì)有一個(gè)缺陷：每天只有幾個(gè)小時(shí)有比較充足的陽(yáng)光，這樣
探測(cè)器的活動(dòng)就很受外界條件的限制，尤其是在風(fēng)沙季節(jié)，太陽(yáng)能電池板經(jīng)常被沙土覆蓋，更使情況雪上加霜。
“好奇”號(hào)使用的是放射性同位素?zé)犭姍C(jī)，它利用放射性燃料衰變產(chǎn)生熱能，再由能量轉(zhuǎn)換器熱電偶將熱能轉(zhuǎn)換為電能，直接產(chǎn)生電流。也有人管它叫核電池?！昂闷妗碧?hào)使用的核電池重43公斤，可以持續(xù)提供100瓦的電能至少14年。這個(gè)電池成本約3600萬(wàn)美元，光是里面使用的4.8公斤钚-238核燃料，價(jià)值就超過(guò)2千萬(wàn)美元。
能計(jì)算路程的輪胎花紋
有些同學(xué)可能會(huì)注意到，一般汽車輪胎的花紋是重復(fù)的，所以在地面留下的痕跡讓人們無(wú)法判斷這個(gè)輪子轉(zhuǎn)了多少圈。
但是“好奇”號(hào)的輪子卻有著很獨(dú)特的花紋，這些花紋實(shí)際上就是摩爾斯電報(bào)碼的字母JPL——美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)稱。
這有什么用呢？對(duì)了，人們根據(jù)輪胎在地面留下的痕跡，就可以很容易地計(jì)算出探測(cè)器走了有多遠(yuǎn)。其實(shí)我們周圍有很多這樣巧妙的設(shè)計(jì)，你如果發(fā)現(xiàn)了，別忘了來(lái)信告訴我們喲！
