火星探測任務簡介
航向火星的太空船－－介紹三艘太空船 蘇明俊 自從美國和蘇俄登陸火星失敗之後，現在，三艘太空船都朝向火星的目標前進：火星拓荒者號 (Mars Pathfinder)、火星總體測量員(Mars Global Surveyor)、和蘇俄的火星96(Russian Mars 96)， 即將為廿一世紀開拓一條平坦的探測火星之路。 九六年結束前，太空船將航向火星。如果任務成功，將可淡化美國1993年太空總署失去「火星觀 察者(Mars Observer)」任務以及蘇俄「佛伯斯雙子探測船(the twin Soviet Phobos probes)」任務 的失敗。美國參予蘇俄在1989年探測火星及其衛星佛博斯(Phobos)的計畫，兩艘蘇俄的佛博斯太空船 在1988年七月射向火星，預計1989年一月份到達火星，但其中一艘在九月初就失去聯絡，另一艘在 1989年四月登陸火星的衛星佛博斯。 首先離開Delta Ⅱ火箭發射台頂端的是火星總體測量員，時間是十一月六日；十天後，蘇俄發射 質子火箭；再來就是十二月二日美國在另一架Delta Ⅱ發射的火星拓荒者號。為什麼要匆忙發射三艘 太空船呢？因為此時的地球和火星正處於最有利於發射太空船的位置，這樣的位置每兩年才會有一次。 除此之外，他們在不同的機器人任務中，有相同的目標。火星總體調查員將利用火星薄薄的大氣來穩 定繪製地圖的工作，大約可以維持一個火星年；它的任務則是希望搶救一些以前失去的探測目標。巨 大的火星96由於經費與技術上的問題，一拖就是兩年，它將攜帶著廿四部儀器進入軌道，包括登陸艇 和滲透到紅土下方做標記的滲透者，這是歐洲合夥人的主要計畫。火星拓荒者號則像隕石一樣，直接 投入火星的大氣之中，登陸後再佈署探測車進行探測的任務。拓荒者號的發射順序雖是三者之末，但 因重量與登陸的方式，卻是最早到達火星的。 這些任務開始之後，將因為太空船傳回來的資訊，協助證實或駁斥火星上古老生命存在之謎嗎？ 不太樂觀。科學家從火星隕石ALH 84001 找到的原始微生物，仍無法證明火星生命的存在，也沒有計 畫帶回來火星的石頭，因此數據也只能供未來「採樣」任務的參考而已。事實上，火星的石頭樣品， 在2006年以前根本不可能帶回來，或許還要更晚也不一定，這倒要看太空總署的預算才能決定了！ 火星總體調查員(Mars Global Surveyor,MGS)： 火星總體調查員於1996年11月 6日發射，1997年 9月 9日到達火星，重1060公斤 (不到火星觀測 者號的一半重) ，太陽能板對著太陽，儀器對著火星，天線則對著地球。從佛羅里達州的Canaveral 海灣發射升空，巡航十個月之後進入橢圓軌道，週期48小時，再過六個月後，它慢慢進入火星大氣的 上層，利用大氣的阻力縮小軌道，這個軌道還必須非常精確。如果它的軌道太低，太空船可能損壞或 被熱燒壞，如果軌道太高，受到行星重力吸引所產生的向心力不夠，而且不夠慢，影響觀測工作。 1998年三月中，在火星表面400 公里的上空，開始進行為期兩年的繪製任務。在1997年九月MGS 到達 火星之後，它將點燃火箭大約廿分鐘來完成進入週期為四十八小時的火星極區軌道，如此的軌道最近 點在火星上空378公里，最遠點在56400 公里，是一個很長的橢圓軌道，但是繪圖作業需要的是圓形 軌道，因此，MGS 必須攜帶兩具推進器來調整軌道，這大大地降低了它在科學上的工作能力，同時增 加了許多成本。不過，它只花了一億三千五百萬美元的經費，已經比觀察者號的十億節省好多了。 總體調查員從事原來預訂在火星觀察者的七個實驗中的五個：熱發射光譜儀、磁力計、反射計、 高度計、無線電發報機。另外，火星轉播將採用法國製的無線電接收器，以便收集從蘇俄火星96以及 美國拓荒者號獲得的數據。 蘇俄的火星96(Russian Mars 96)： 蘇俄的火星96是質子火箭，1996年11月16日在蘇俄Kazakhstan的Baikonur發射，1997年9月12日到達火 星，重6180公斤。延續1988年佛博斯任務的設計，目的在發展當年失敗的任務。由繞轉火星的主要太 空船以及四個小登陸艇所組成：兩個可以自由運動的小登陸艇，和兩個可以穿透火星表面的登陸艇， 它們可以鑽入地下達六公尺，以探勘地下的情況，資料則將由頭頂上的總體調查員傳回地球。目的在研 究可信度高的火星各項演化過程，如火星表面地質與地震學的研究、大氣層、和氣候變化。六零年代， 水手號就發現火星有大氣層－－稀薄、乾燥、低溫的大氣層。發射時重6700公斤，3000公斤的燃料，550 公斤的科學儀器，海盜號發射時只有3530公斤。 可惜因為天時與地利的因素，它在發射升空後不久，就墜落在南半球了。 美國火星拓荒者號(Mras Pathfinder,MPF)： 美國火星拓荒者號於1996年12月 4日發射，將於1997年七月四日上午十點登陸火星，並且攜帶探 測車「旅居者號(Sojourner)」從事火星表面探測的任務。發射時重890公斤 (比海盜號的一半重還輕)， 登陸時只剩360公斤。登陸火星的旅居者號探測車重11.5公斤，六輪。 拓荒者號太空船將於1997年七月四日衝入火星的大氣層，並使用降落傘登陸火星表面，對於工程 學和專業技術的論證，隨即令人興奮地在火星表面展開。美國太空總署此次執行拓荒者任務，主要在 驗證用最省錢的方式遞送太空船和探測車到火星，對未來登陸太空船和微小探測車的設計有重要的貢獻。 火星拓荒者號在1996年十二月四日，從Delta Ⅱ發射車的頂端發射升空，開始為期七個月的漫遊， 到達火星時，將採用前所未有的方法直接進入火星的大氣層；它進入火星大氣層上方時，速度是每秒 7.6公里，用海盜號的熱盾保護，綁著一頂巨大的降落傘直接降落火星表面，降落傘將在地面上空六 到十公里處展開，以減低下墜的速度；在撞擊地面的前幾秒點燃內藏的三具反推進的小火箭，以抵抗 火星的重力；安全氣囊充氣，做為墊褥直接著陸，吸收著陸時所產生的撞擊力，這也是本任務最新奇 的設計，著陸時可能反彈像四層樓那麼高，而且要好幾次才會停下來，太空船著陸後，氣墊洩氣，然 後三個像花瓣的太陽能板展開，平鋪在地面，開始工作。著陸的地點是Ares Vallis－北緯19.5°， 西經32.8°，位於1976年海盜一號登陸地點東南方 850公里處 (海盜一號在Chryse Planitia登陸) ， 很接近北緯15°的「日下點」，因為這裡在白天可以接收到更多的陽光，以便提供最多的太陽能給登 陸艇和探測車使用。 拓荒者號太空船像四面體形狀的小角錐，有三個像花瓣的太陽能板，約高 0.9公尺，發射時重 890公 斤(包括外殼、太陽能板、推進器、中、高增感天線等)。進入火星大氣時，主要設備是外殼、被摺疊 的登陸艇和探測車、降落傘、氣墊、和小火箭引擎，大約共重570公斤。登陸後就只剩 360公斤了。 它的第一項任務是在進入火星薄薄的大氣時，蒐集有關工學和科學的數據，然後拍下火星表面的全景 照片，再以每秒幾千位元(bits)的速度傳回地球。 登陸艇使用IBM RAD6000的電腦來操縱，32位元，每秒可以執行22M的訊號，128MB的記憶體可以 儲存軟體和蒐集到的影像數據，也記錄旅居者的數據。登路艇需要178瓦的電力，完全由 2.5平方公 尺的砷化鎵太陽能電池所提供；在火星表面工作時，太陽電池在晴天時，每天可以提供 850瓦小時 的電力。登陸艇有三個太陽能接收板，每一個接收板面積3.3平方公尺，每天可以產生 100瓦小時的 電力，晚上則使用可充電的銀鋅電池運轉，電力容量是40安培小時。登陸艇的電力容量至少一次可 以持續30個火星天(7個火星天大約是7.2個地球天)，總共維持一年應無問題，而旅居者號至少可以工 作好幾個月。 拓荒者號登陸 拓荒者號登陸的過程，是在登陸前幾天，當在地球的控制人員充分獲得太空船的資訊後，由 JPL的控制人員每隔幾小時就送一次指令，告訴太空船如何安全地登陸火星表面。登陸作業預訂在火 星時間清晨三點鐘，也就是地球上1997年七月四日星期五的上午十點，從登陸前一個半小時(約距火 星表面8500公里)到三個半小時以後，太空船都在電腦的精密控制下執行任務。 登陸前幾分鐘(約 125公里)太空船進入火星大氣外圍，以每分鐘兩轉穩定地自旋，下降速度每秒 7.5公里，產生大量的熱是用海盜號的防護盾和熱盾來保護太空船，最多的時候，可以吸收 100百 萬瓦特的熱能，大氣也使太空船的速度下降到每秒 400公尺。後來熱盾在二到九公里高度時，像煙 火一樣地張開脫落。在進入大氣後二到三分鐘，高度五到十一公里時，展開降落傘，直徑24呎，最 後的速度降到每秒65公里。降落傘的設計除了在週圍多了一條寬帶子減少晃動以外，很像海盜號使 用的降落傘。 登陸後，在登陸艇的中央，立體照相機向上伸高一公尺，向四周拍攝照片。等太陽升到地平線 上時，像棒棒糖的高增感天線便已指向地球，太空船在穿過火星大氣下降時獲得的數據，就已經開 始傳送，然後才拍照。 旅居者號(Sojourner) 在安全著陸後的幾小時內，一輛十公斤重的探測車－－旅居者號，從登陸艇上的移梯駛下來， 它因為自由活潑，機動力強而得名；旅居者號被摺得像一個手風琴，用不銹鋼絲綁在三個太陽能板 花瓣的其中之一上，當不銹鋼絲鬆開後，就可以開下來。一但曝露在太陽下，就開起動力系統，先 動力測試、拍照、布署專為分析岩石成分的儀器，開出峽谷後，立刻開始探查火星表面，從事Ares Vallis 峽谷附近的探測工作，並以登陸艇上的電信設備和地球聯絡。旅居者號非常小，重11.5公 斤，六輪使用太陽能的探測車，長65公分、寬48公分、高32公分，在登陸艇的攝影機監視下作業， 從不冒險離開視線，只在幾十公尺的範圍內活動。這裡是古代海峽的入口，幾十億年前大洪水經過 之處，因此有多種岩石和土壤；它使用一箱縮小的科學儀器，分析岩石的成分、近距離拍攝火星表 面的特徵。 旅居者號將從事一些科學實驗，它有自己的立體照相系統，由可選擇性的濾鏡提供色彩。還有 Ｘ光的光譜計可以適當地選擇岩石或土壤來分析它們的成分。 火星的表面是粗糙的，每天的溫度範圍從 0℃到 -100℃ ，旅居者號只能在登陸艇附近十公尺 以內活動；在延伸的任務中，它也能冒險地走遠一些。 科學任務 拓荒者號登陸火星主要的科學任務是驗證有關太空船創新的機械設計，也將完成令人興奮的科 學調查結果。 任務的前幾天，登陸艇將以多彩又立體的相機拍攝火星的全景照片，檢測火星上層大氣的結構，整 套氣象儀器也將檢測火星表面的氣候。定期追蹤可以精確測出火星極區的自轉情形；如自轉軸的進 動現象或軌道的變化情形。海盜號時代曾經測量火星的轉動慣量，所建立理論的正確性、火星內部 金屬核所產生的磁場等，都將得到進一步的驗證。 拓荒者號登陸火星的地點，將提供地質學家關於地殼和岩石多樣化的分析樣本，古代流經Ares Vallis 的洪水，把此地雕刻成許多小島形狀，當然還有一些高山和中世代形成的火山坑，海盜號的 數據在此可以適用，差別是：此地因古代沉澱物造成較為平滑的地層。 探測車上的主要裝備α粒子、質子、Ｘ光光譜計，將被用來測量岩石和土壤的基本成分，並作礦 物分析。這些數據將協助科學家對火星表面作進一步了解，還有造成火星表面氣候變異與衝突的因素。 拓荒者號的科學任務：首先了解火星的演化過程和地質史，再分析大氣中和土壤中的水份，以協助科 學家分析火星早期的大氣層，最後為了解火星與地球演化上的異同點。其科學實驗的項目如下： □調查火星表面的型態與地質，從幾公分到幾公尺的大小都在調查之列；像土壤、岩石、小山丘等。 □調查岩石的成分和礦物檢查，使用的是登陸小艇影像機的光譜濾波器、和α質點、質子、Ｘ光 的光譜計。 □測量土壤的基本力學和土壤的磁性，基本力學如：凝聚力、休止角、滑動量等都將由探測車旅 居者號完成；磁鐵已經安裝在太空船上，藉以了解附著塵埃的磁性。 □太空船在進入大氣和下降期間，測量火星大氣的結構，以了解氣溫、氣壓和大氣密度隨著高度 變化的情形。 □太空船登陸之後，整組的氣象儀器將告訴我們火星的氣候，像風速計就能測量火星表面上的風 速變化。 □追蹤太空船測距儀的信號，位置設定在太空中或兩極地區，幾個月之後，科學家便能推論出行 星內部的結構，甚至於是否具有金屬核心。