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火星間歇泉跳躍者

火星間歇泉跳躍者（英語：Mars Geyser Hopper）是美國宇航局為發現級任務設計的探測器概念，該探測器主要研究火星南極周圍地區所發現的春季二氧化碳間歇泉[1][2]。

火星間歇泉跳躍者
火星間歇泉跳躍者計算機輔助設計模型，着陸器(左)及巡航階段包裝在附加的外罩內(右)
任務類型火星着陸器
運營方美國宇航局
任務時長在表面1個火星年(22個月)
航天器屬性
發射質量1092千克(2047磅)
着陸器：500千克(1100磅)
功率150瓦太陽能電板
着陸器: 133瓦同位素發電機
火星著陸器
着陸點火星南極

火星間歇泉跳躍者推薦使用的動力技術為先進斯特林放射性同位素發電機(ASRG)[3]，美國宇航局已完成先進斯特林放射性同位素發電機的設計，並製作了一台測試樣機，但該計劃在2010年中期被中止[4][5]。無論是洞察號，還是所有入圍下一輪發現計劃半決賽評選的提案都沒採用先進斯特林放射性同位素發電機(ASRG)或放射性同位素熱能發電機，原因是它對限供的特種鈈需求量過大[6]。

背景

 
火星南極冰蓋(註：在這種情況下，冰也有可能是二氧化碳乾冰，而非水冰)。

在經過一場有關新計劃的討論後，美國宇航局於20世紀90年代正式啟動了發現計劃，並完成了諸如起源號、深度撞擊和開普勒太空望遠鏡等一系列任務。本次任務是針對該計劃而設計，至少最初是這樣[7]。

最早進行跳躍探測的無人自動探測器之一是勘探者6號月球着陸器，它於1967年成功軟着陸在月球上並進行了着陸後的跳躍[3]；另一次有可能的跳躍者任務將是在土星的衛星「土衛二」上[8]。跳躍者最突出的能力，是具有探訪不同地點的潛力[8]，另一項跳躍型任務是彗星跳躍者，它曾獲得發現計劃半決賽入圍獎，以進一步研究飛往「46P/維塔寧彗星」(Wirtanen)的跳躍任務[9]。

2012年曾猜測，間歇泉跳躍者任務可能會在洞察號火星着陸器之後飛行[10]。

任務概述

該任務預計耗資3.5億美元，費用上限不超過4.25億美元，不包含發射費用。它必須能在2016年3月1日發射(或不遲於2016年12月31日)，只有這樣才能趕在火星夏季登陸南極地區。為了降低成本並將風險減至最低，該探測器將沿用以前的設計理念，即火星鳳凰號着陸器的設計，它的飛行經歷已證明了所具備的軟着陸能力和可重啟的火箭推進系統，能完全滿足本次任務所需[2]。

該探測器將降落在火星南極附近的目標着陸區，該區域數百公里範圍內分佈有大量的間歇泉，密度至少為每1-2公里(0.62-1.24英里)就有一處。着陸器在夏季着陸後至少要「跳躍」兩次，以重新定位到間歇泉現場附近，並在那裏度過整個冬季，等候春天第一縷陽光的到來，親眼目睹「火星間歇泉噴發」的現象，並觀察噴流碎屑的分佈樣式和通道。[2]

 
一處顯然是噴發沉積物的巨大「蜘蛛」狀特徵，形成了黑色的沙丘斑點。圖像大小：縱橫1公里(0.62英里)。
 
按照"西爾萬·皮克斯"(Sylvain Piqueux)的說法，太陽光從底部引起升華，導致膨脹的CO2氣體積聚，最終夾帶着塵埃噴薄而出，並形成具有明顯方向性-表明風力作用的黑色扇形沉積物。
 
正在噴發含沙噴流的火星間歇泉想像圖(藝術家羅恩·米勒創作，美國宇航局出版)。

火星間歇泉不同於任何地球地質現象，這些特徵的形狀和異常的蜘蛛狀外觀激發了有關它們起源的各種科學猜想，從霜凍反射率差異到涉及生物過程的解釋。然而，目前所有的地球物理模型都假設存在某種間歇泉樣的活動[11][12][13][14][15][16][17][18][19]，不過，對它們的特點及形成過程仍存有爭議。

CO2冰的季節性凍結和融化導致了許多特徵的出現，例如在冰層下分佈有蛛網狀裂縫或通道的深色沙丘斑點[12]，在地面和冰之間蝕刻出網狀的放射狀通道，使其看起來像蛛網，然後，內部積聚的壓力噴出氣體和黑色玄武質沙或灰塵，這些物質沉積在冰面上，從而形成黑色的沙丘斑點[11][12][13][14][15][16][17]。這一過程很快，在數天、數周或幾個月的時間裏就可以觀察到，這種增長速度在地質學上相當罕見——尤其在火星上[20]。

任務概念

從發射始，整個任務持續時間將為30個月，包括8個月的星際巡航，然後在火星表面執行22個月(一個火星年)的主要任務。飛船將進入大氣層，在已知形成間歇泉的南極地區進行火箭反推的軟着陸。這次登陸將在極地夏季進行，屆時地表上沒有冰。預測的着陸區範圍約為20x50公里(12x31英里)大小，因此着陸目標只是一個區域，而不是特定的間歇泉位置。在着陸後的第一階段，它將進行科學勘測，以確定着陸地點的特徵，了解該地區夏季無冰期的地表地質情況[1]。

然後，探測器將收起科學儀器並重新點燃發動機，第一跳距離可達2公里(1.2英里)[2]，這一跳的目的是將着陸器移動到在一處可直接探測間歇泉區的位置，並檢查間歇泉所在區的地表面。

探測器將再次收起儀器並啟動發動機進行第二次跳躍，跳躍距離 ~100米(300英尺)，這一跳將把着陸器放置在一處地勢相對較高的越冬地點，在那裏着陸器可很好地環視周圍環境，靠近但不位於已知間歇泉的位置上，並處於預期噴流碎屑降落區之外。探測器將在剩餘的夏秋季陽光下描繪局部區域特徵，然後進入「越冬模式」。着陸器將在冬季繼續傳輸工作狀態數據和氣象報告，但不會進行重大探測活動 [1]。

當極地春天到來時，着陸器將從優選的最佳觀測位置研究間歇泉現象。探測器上的自動間歇泉探測設備將掃描周邊環境，一般常規圖像只存放在緩衝器中，並不轉發到地球。但一旦探測到間歇泉噴發，將觸發高速、高解像度圖像傳輸，包括粒子運動和紅外光譜的光學雷達特徵，同時，搭載的儀器將對濺落到着陸器表面的所有沉降粒子進行化學分析[2]。

在盛春季節，間歇泉的噴發比率大概為每天一座。如果同時檢測到多個，探測器將依據特定算法聚焦於最近或「最佳」的噴泉。這一主要探測任務將持續約90天，預計春夏期間可觀測到數十次的間歇泉活動。如有需要的話，任務可從2018年8月11日起繼續延長一整個火星年，直到第二個火星夏季[2]。

跳躍者的概念也可用於探索極地間歇泉觀測以外的其它的任務，多火箭動力跳躍能實現從最初着陸點到感興趣目標區的轉移，這對於火星以及太陽系其他地方更大範圍的地形都極具有價值，並將展現一種新形式的探測車，可穿越比以往任何任務所遇到的更崎嶇的地形，這一任務概念將適用於探索很多的行星和衛星[2]。

探測器

 
嘗試登陸極地的火星極地着陸者號，該任務後來由鳳凰號火星極地着陸器完成。

 

電力

間歇泉現象發生在一段長時間的極夜之後，間歇泉本身形成於極地初春之時，此時的氣溫約在攝氏-150°(華氏-238°)左右，太陽角度僅高出地平線幾度。事實上在間歇泉出現之前放置探測器是很必要的，但環境極端、太陽角度較低，這也使得以太陽能板為主要電源的應用環境變得很惡劣。因此，使用質量為126千克(278磅)的先進斯特林放射性同位素發電機和應用於進入/下降/着陸階段以及跳躍時短時額外功率所需的鋰電池就非常有吸引力[2]。然而，先進斯特林放射性同位素發電機的開發卻在2013年被美國宇航局取消了[21]。  

推進

跳躍推進系統以鳳凰號着陸系統為基礎，使用集成的聯氨單組元推進系統，配備15台比沖230秒的MR-107N型噴氣推進器，用於着陸和跳躍。反推力系統是四台比衝量為215秒的MR-103D型噴氣推進器和一台比衝量為220秒的MR-102型噴氣推進器[2]，該系統將使用191千克推進劑燃料。  

通信

着陸器將通過X波段經巡航艙特高頻天線轉發，直接與地球通信。圖像和所有數據中繼將由火星偵察軌道器操作團隊協調[2]。  

探測設備

科學探測儀器包括用於觀察間歇泉事件的立體攝像機(MastCam)和用於挖掘地表採集土壤樣本進行化學分析的機械臂(來自鳳凰號)。另外還配備了一台光感測及測距儀(激光雷達)、一架着陸相機和一台用於遙感地質分析與天氣遙感的熱光譜儀[2]。

另請參閱

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Landis, Geoffrey A.; Oleson, Steven J.; McGuire, Melissa. 火星间歇泉跳跃者的设计研究. 美國宇航局. 9 January 2012 [2012-07-01]. （原始內容存檔於2016-06-03）. 
  2. ^ 2.00 2.01 2.02 2.03 2.04 2.05 2.06 2.07 2.08 2.09 2.10 Geoffrey A. Landis; Steven J. Oleson; Melissa McGuire. D火星间歇泉跳跃者的设计研究 (PDF). 50th AIAA Aerospace Sciences Conference. 美國宇航局格倫研究中心. 2012年1月9日 [2012-07-01]. AIAA-2012-0631. （原始內容存檔 (PDF)於2020-11-23）. 
  3. ^ 3.0 3.1 火星探测的概念和方法(2012): 采用先进斯特林放射性同位素发电机的火星间歇泉跳跃者 (PDF). [2021-01-26]. （原始內容存檔 (PDF)於2020-11-30）. 
  4. ^ 斯特林转换器技术. 美國宇航局. 2014年 [2021-01-26]. （原始內容存檔於2017-04-19）. 
  5. ^ Dreier, Casey. 先进斯特林放射性同位素发电机被下马. 行星學會. 2014年1月23日 [2021年1月26日]. （原始內容存檔於2019年8月29日）. 
  6. ^ 美国宇航局的核燃料的短缺可能危及未来的太空任务. [2021-01-26]. （原始內容存檔於2020-11-08）. 
  7. ^ Landis, Geoffrey; O leson, Steven; McGuire, Melissa. 火星间歇泉跳跃者的设计研究. 第50届美国航空航天协会科学会议，包括新视野论坛和航空航天博览会. 2012年. ISBN 978-1-60086-936-5. doi:10.2514/6.2012-631. 
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  20. ^ Ness, Peter K.; Greg M. Orme. 火星上的蜘蛛沟模型和植物状特征——可能的地球物理和生物地球物理起源模式 (PDF). 英國星際學會雜誌(JBIS). 2002年, 55: 85–108 [2012年7月1日]. （原始內容 (PDF)存檔於2012年2月20日）. 
  21. ^ 先進斯特林放射性同位素發電機取消的背景 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） 未來行星探索

本文包含從美國宇航局來源複製的內容。

外部連結

 

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