基本介紹
- 中文名：鳳凰號火星探測器
- 目標天體：火星
- 所屬國家：美國
- 發射時間：2007.8.4 5:26:34.596(EDT)
- 運載火箭：德爾塔2型火箭
- 發射地點：甘迺迪航天中心17A發射台
設計特點,研製背景,結構設計,任務,命名特點,升空後,相關疑問,著陸火星,新發現,首次發現,遇到災難,
設計特點
研製背景
“鳳凰”號的著陸地點設在緯度同地球格陵蘭或阿拉斯加州北部相當的廣闊淺谷。與利用安全氣囊反彈到降落地點的姊妹火星漫遊者“勇氣”號和“機遇”號不同，這顆著陸器是利用反衝火箭下降，能更加準確地降落在預定地點。這種推進降落方法也更適用於更加沉重的飛船降落，美國宇航局需要利用這種方法支持可能的人類火星探索。據稱，“鳳凰”號在火星表面著陸的成功率並不高。從歷史上來看，55%嘗試著在火星表面降落的努力都以失敗而告終，而“鳳凰”號利用的著陸方法已經有32年沒有嘗試過。
成功著陸後，重約772磅(約合350公斤)的“鳳凰”號將在原地等候15分鐘，待著陸掀起的塵埃物質落定，它將展開太陽能電池板，升起氣象天線桿，將周圍環境的第一批照片傳回地面。在接下來的幾個火星日，“鳳凰”號將檢查機載儀器，伸展機械臂鏟起第一堆火星土壤樣本。一個火星日約比地球上的一天長40分鐘。在度過第10個火星日之前，“鳳凰”號將進入“挖掘”階段，每天有兩小時用來挖土壤，這個階段預計將占據此次任務的絕大部分時間。
“鳳凰”號的設計壽命為90天，儘管科學家表示，“鳳凰”號的使用壽命可能會延長一個月左右，在晚夏或初秋繼續看到它的身影，不過它在火星上探測的時間絕對不會有“勇氣”號和“機遇”號那么長。這是因為“鳳凰”號上的太陽能電池板不能產生足夠多的能量，令其安然度過火星冬天。阿韋德森說：“它的三隻腳會深深嵌入地下，上面沾滿乾冰，太陽又會在地平線以下。”言下之意，“鳳凰”號不能通過太陽能電池板獲取大量能量。
按計畫，“鳳凰”號在飛行10個月之後到達火星，在火星北部平原開始其三個月的探測活動。如果任務取得圓滿成功，這將是在“海盜”號探測任務之後時隔30年機器人首次在火星表面以下鑽孔。著陸後，“鳳凰”號將在其微型火爐中加熱火星土壤樣本，研究其化學構成。“鳳凰”號火星任務首席科學家、亞利桑那大學的彼得·史密斯博士表示，“鳳凰”號能夠檢測有機物的存在，不過它不能分辨出裡面是否存在DNA或蛋白質。
著陸後的示意圖
著陸後的示意圖“鳳凰”號著陸地點之所以選擇在北極點，是因為以前的探測器曾發現冰凍水潛伏於火星地表之下的證據。有科學家認為火星上一個寬30英里左右的淺灘可能是古代海洋遺留下來的。但是，“鳳凰”號將會尋找已經存在10萬年的液態水的證據，現如今，乾涸的火星表面沒有液態水，“鳳凰”號的任務就是探測地下冰是否已經融化，創造了更為潮濕的環境。
科學家一般認為，融化的冰水以及有機物質和穩定熱源是生命存在的三要素。為了避免“鳳凰”號無意之中將地球有機物帶到火星，技術人員在準備探測器發射時必須多加小心。“鳳凰”號已經過乾熱處理和精確清洗，使其表面微生物數量降至最低。另外，作為防污染的舉措之一，它的機械臂還被封存於特殊材料之中。
結構設計
在開展探測任務之前，“鳳凰”號火星車必須先要在瀰漫著塵埃物質的火星表面成功著陸，火星向來以吞噬人造探測器著稱。各國共向火星發射了15個探測器，但迄今只有5個著陸成功。
著陸示意圖
著陸示意圖“鳳凰”號的設計很獨特，有三條腿支撐，機械臂長20英尺，由鋁和鈦兩種材料製成，工作起來像一台反鏟挖土機，一鏟下去能在火星上挖出20英寸深的溝，接著旋轉就能將土壤樣本取出。儘管“鳳凰”號缺乏探測火星過去或當前生命形式的工具，不過科學家仍然希望它能揭開火星北極圈是否含有適合微生物生存的跡象之謎。
造價只是孿生探測器的一半
“鳳凰”號探測器是美宇航局“偵察”計畫的第一個任務，即利用小型太空探測器研究火星的計畫。“鳳凰”號由美宇航局下屬噴氣推進實驗室負責管理，造價4.2億美元，幾乎是造價8.2億美元的“機遇”號和“勇氣”號的一半，這兩個孿生探測器於2003年發射，仍在火星上漫遊。
“鳳凰”號探測器的名稱有著特殊含義，美宇航局希望它能在以前任務失敗的基礎上，完成鳳凰涅槃般重生。“鳳凰”號原計畫作為“火星奧德賽”探測器於2001年一同飛向紅色星球，不過因為擔心發射日程安排過於緊密會適得其反，於是在1999年取消了發射計畫，“火星奧德賽”探測器最後只身前往火星。
主要使命完成後變身氣象站
人類對火星的探測並非一帆風順。1998年發射的“火星氣候探測器”因洛克希德-馬丁公司和美宇航局在度量單位上出現錯誤，結果在靠近火星時被燒成灰燼。而美宇航局次年發射的“火星極地著陸器”在火星南極點著陸時，因火箭發動機提前關閉，從此下落不明。這兩個探測器的殘骸迄今尚未被發現。
“鳳凰”號探測器由洛克希德·馬丁公司製造，攜帶了類似於“火星極地著陸器”探測任務所搭載的一些科學儀器。據噴氣推進實驗室項目主管巴里·戈爾茨坦介紹，工程師們在過去四年對“鳳凰”號進行了嚴格測試，“以將這套系統可能遭遇到的一切故障提前排除。”如果“鳳凰”號能順利完成其主要探測任務並倖存下來的話，隨後它將變成一個氣象站，用於收集有關火星大氣層的數據。
“鳳凰”號探測器是一個由3條腿支持的平台，平台直徑1.5米，高約2.2米；其中心是一個多面體儀器艙，艙左右兩側各展開一面正八邊形太陽能電池陣，跨度5.52米。與“火星極地著陸器”相比，“鳳凰”號探測器的最大變化是提高了太陽能電池的性能。“鳳凰”號探測器攜帶了7種科學探測儀器，美國宇航局工作人員把它們戲稱為7種探索火星生命來源的“秘密武器”，它們分別是：
(1)機械臂(RA)
它是“鳳凰”號探測器上最重要的設備，用來挖取火星表面及表面下層的土壤樣品。它將挖得的樣品送入著陸器搭載的“顯微鏡電化學與傳導性分析儀”和“熱與氣體分析儀”中進行化驗分析。
機械臂長2.35米，有4個自由度，末端裝有鋸齒形刀片和波紋狀尖錐，能在堅硬的極區凍土表面，挖掘1米的深坑。機械臂還可為裝在臂上的相機調整指向，引導測量熱與電傳導性的探測器插入土壤。
(2)顯微鏡電化學與傳導性分析儀(MECA)
它是在“火星勘探者”計畫中所使用的儀器基礎上略加改進而成的，包括濕化學實驗室、光學顯微鏡、原子力顯微鏡和熱與電傳導性探測器4台儀器，用以檢測土壤的元素成分以及給土壤樣品拍攝成像。
(3)熱量和釋出氣體分析儀(TEGA)
它包括微分掃描熱量計和質譜儀兩部分，用以對土壤樣品的吸熱和散熱過程進行觀測記錄，並對加熱後釋放出的揮發物進行分析。
(4)表面立體成像儀(SSI)
用以測繪高解析度的地質圖和機械臂作業區地圖，進行多光譜分析和大氣觀測。它可拍攝著陸位置地形的高清晰度、彩色、立體圖像。
(5)機械臂相機(RAC)
它安裝在機械臂末端的挖掘鏟上，用以拍攝機械臂採集的土壤樣品的高解析度圖像，分析土壤顆粒的類型和大小。
(6)火星下降成像儀(MARDI)
用於在“鳳凰”號下降過程中動態拍攝火星表面，勘察著陸點附近的地質情況。
(7)氣象站(MS)
這是加拿大宇航局為“鳳凰”號著陸器專門研製的新儀器。它由雷射雷達和溫度壓力測量裝置兩部分組成，可以監測火星大氣層的塵埃、溫度等變化，記錄火星北極每天的天氣狀況。
任務
美國東部時間2007年8月4日5點26分34秒596毫秒（台北時間8月4日17點26分34秒596毫秒），美國“鳳凰”號火星著陸探測器由一枚德爾塔2型火箭從甘迺迪航天中心17A發射台發射升空，開始飛往火星。
鳳凰號利用火箭推進器進行軟著陸模擬圖
鳳凰號利用火箭推進器進行軟著陸模擬圖在火星地表之下“探冰”
“鳳凰”號在2008年5月25日火星北極圈一處平原的永久凍土地帶著陸，之後利用先進的鋁鈦合金機械挖掘臂等7種儀器開展各種探測，如在火星地表之下“探冰”，尋找火星歷史可能存在某種生命形式的新線索，以及觀測火星北極氣候循環模式等。
“鳳凰”號的設計探測使命為3個月，整個項目耗資約4.2億美元。這是美國宇航局名為“偵察”的低成本火星探測計畫發射的第一個探測器。如果“鳳凰”號成功在火星著陸並展開探測活動，這將是自30年前“海盜”號火星探測器在火星上鑽孔探測之後，人類探測器再次將探測範圍延伸到火星地表之下。
“鳳凰”號與火星上經歷塵暴考驗的美國勇氣號和機遇號火星車風格迥異。2004年登入火星的這對孿生火星車，作業方式是在火星靠近赤道區域的表面漫遊，而“鳳凰”號將會採取在火星北極地區“蹲點”的方式，固定在一個地方不動。
欲揭示火星冰凍水來源
此前的火星探測結果表明，這顆紅色星球現雖然乾燥、貧瘠，但遠古時期很可能遍布著河流與海洋。科學家相信，火星上很可能有過某種形式的生命存在。
著陸圖
著陸圖2002年，美國“奧德賽”號探測器曾在火星北緯65度以北發現大範圍凍水層存在的證據。“鳳凰”號就是奔著這片凍水層而去。
科學家猜測，凍水層可能是火星遠古海洋的冰凍殘留物，也可能是火星大氣層中的水蒸氣散播到地表之下形成的，或者是遠古巨大冰原後退時遺留下來的。
人類發射的火星探測器迄今均未在火星乾旱的表面發現水存在的痕跡。“鳳凰”號“探冰”的一個重要目的，是探測火星極地的地下冰是否存在融化並創造出一個濕潤的“地下小環境”的可能。
命名特點
著陸探測器取名“鳳凰”，寓意“浴火重生”。美國宇航局在介紹材料中說，“鳳凰”號實際上脫胎於以前一個夭折的火星探測器項目，其中的許多組件都被再利用，成為“鳳凰”號的基本構架。另外，“鳳凰”號設計人員還借鑑並改進了1999年在火星著陸後下落不明的“火星極地著陸者”探測器的一些設計。宇航局說，希望在前輩基礎上“重生”的“鳳凰”號能不負眾望，在火星探測中有更多的重大新發現。
升空後
關鍵過程
美國宇航局於2007年8月發射鳳凰號火星探測器，鳳凰號將飛行約6.8億公里，於2008年5月在火星北極軟著陸，它將在火星挖掘土壤，以了解當地環境是否適合生物生存。以下為鳳凰號點火升空後的關鍵步驟
T-00分00秒
發射升空
“美國發射聯盟”的德爾塔 2型火箭的一台主發動機和兩個微調推進器在發射前一刻啟動。6台地面起動的捆綁式固體火箭發動機在 T-0 點火， “鳳凰”號火星探測器開始發射。
T+01分03秒1
地面起動固體火箭發動機燃燒
這 6台由阿聯特技術系統有限公司生產的地面起動固體火箭發動機的推進劑耗盡並燃燒。
T+01分05秒5
空中啟動 地面起動點火
綁在德爾塔 2型火箭一級段的剩餘三個固體火箭發動機點火。
T+01分06秒0
丟棄 地面起動固體火箭發動機
6台燃料耗盡的地面起動固體火箭推進器以3個為一組丟進大西洋。
T+02分11秒5
丟棄 空中起動固體火箭發動機
燃料用盡之後， 3個完成使命的空氣啟動固體火箭推進器向大西洋方向彈射出去。
T+04分23秒3
主發動機熄火
在消耗完 RP-1 燃料和液氧之後， Rocketdyne RS-27A 一級段主發動機關閉。微調發動機不久之後也熄火。
T+04分31秒3
一級火箭分離
德爾塔火箭一節段完成使命，現在開始分離。它將落入大西洋。
T+04分36秒8
二級火箭點火
一節段火箭丟棄之後，德爾塔火箭二節段接過接力棒。 Aerojet AJ10-118K 液體燃料推進發動機第一次點火加熱，推動“鳳凰”號探測器繼續向高處飛行。
T+05分03秒0
丟棄 有效載荷整流罩
安裝在德爾塔 2型火箭上、用於保護“ 鳳凰”號探測器的 直徑 9.5 英尺的有效載荷整流罩在上升期間一分為二。
T+09分20秒5
二級火箭第一次熄火
二節發動機在以 28.5 度傾角 到達 86.4X96.5 海里的軌道之後 關閉，完成其第一個發射點火任務。德爾塔 2型火箭及綁在其上的“鳳凰”號探測器現處於二節火箭重新點燃之前的滑行階段。
T+73分47秒2
二級火箭重新啟動
德爾塔 2型火箭的二節發動機再次點燃，使有效載荷加速飛行。
T+76分02秒3
二級火箭第二次熄火
在以 28.5 度的傾角到達 87.7 X 13,128.1 海里的軌道之後，二節火箭完成使命關閉。在接下來的一分鐘， 德爾塔 2型火箭一側的微型推進器將會被點燃，推動“鳳凰”號準備好同二節火箭分離。
T+77分05秒5
二級火箭分離
液體燃料推進的二節火箭與德爾塔 2型火箭的剩餘部分完全脫離。
T+77分42秒8
三級火箭點火
Thiokol公司的星辰-48B型固體燃料三節發動機點火，驅動“鳳凰”號探測器離開地球軌道。
T+79分10秒3
三級火箭熄火
在耗盡所有液體推進劑之後，三節火箭燃燒，“鳳凰”號探測器發射順序的動力階段完成。
T+84分10秒3
“鳳凰”號探測器分離
美宇航局 “鳳凰”號探測器同三節火箭分離，開始向紅色星球飛去，為期 9個月。
相關疑問
問題二：“鳳凰”號要做什麼？
答：2002年，美國“奧德賽”探測器曾在火星北緯65度以北地區發現存在冰凍層的證據。科學家希望“鳳凰”號能幫助他們看清這片冰凍層的真面目，分析冰凍層是否曾融為液態水。此外，藉助“鳳凰”號挖掘的火星土壤樣本，科學家也可分析土壤中是否存在有機化合物。從水和有機化合物這兩條線索中，科學家就能進一步推斷火星的歷史環境是否適宜生命存在。
問題三：“鳳凰”號與火星車有何不同？
答：“鳳凰”號靠3條“腿”支撐身體，不能移動，著陸後在原地“蹲點”開展探測活動。而火星車顧名思義是一輛“車”，可四處開動進行探測。
問題四：“鳳凰”號的著陸方式有何特殊之處？
答：美國的“勇氣”號和“機遇”號火星車之前在火星著陸時使用安全氣袋作保護，在火星表面彈跳並停穩下來，然後氣袋打開，火星車開動。“鳳凰”號則採用“軟著陸”方式。它在進入火星大氣層時，依靠與大氣的摩擦和釋放降落傘來一次大減速，時速從2萬公里驟降至8公里，快接近地面時再通過推進器點火制動進一步減速，最終穩穩落在火星表面。這也是自1976年“海盜1號”和“海盜2號”探測器登入火星以來，美國再次成功實現火星探測器的制動減速著陸。
鳳凰號在進行組裝和測試
鳳凰號在進行組裝和測試著陸火星
精彩圖
1、相約鳳凰號
此圖是鳳凰號在進行組裝和測試，看洛克希德-馬丁公司的太空系統性能如何。鳳凰號脫胎於以前一個夭折的火星探測器項目，其中的不少組件被再利用，成為鳳凰號的基本構架，在此基礎上，設計人員還進行了一些改進。
2、奔向火星
美國鳳凰號火星探測器是於台北時間2007年8月4日17點26分由德爾塔2型運載火箭從美國佛洲卡納維拉爾角(Cape Canaveral)發射台發射升空的，進行了為期10個月的長途跋涉，終於來到了火星。
3、火星著陸點
鳳凰號的火星著陸點位於在火星北極平原瓦斯蒂塔斯-伯勒里斯上，此著陸點比先前太空船著陸火星的位置更加靠北一些。
4、著陸點相對地球的位置
鳳凰號的火星著陸點位於火星北極大約北緯68°、東經233°的地方，相對地球而言，
此位置相當於地球上的加拿大北部，如圖上所示的地球位置。
5、進入火星大氣
此電腦生成圖片是鳳凰號火星探測器於台北時間2007年5月26日進入火星大氣的情景。6、降落傘減速下降
為了減慢鳳凰號降落火星表面的速度，鳳凰號展開一把巨大的降落傘，讓鳳凰減速下降。
7、校對著陸裝置
當著陸火星表面越來越近時，鳳凰號火星著陸車扔掉保護它進入火星大氣的隔熱板，並展開3條著陸腿，按預定方式著陸。
8、對準目標位置
此明暗地形圖表明鳳凰號著陸火星的目標位置及其周圍的地形情況，不同顏色代表不同的地形。鳳凰號2014年5月26日著陸火星的位置是在此圖上的橢圓形的中心，不過它也可以著陸在最大的橢圓形中，實現成功著陸。
9、制動火箭啟動剎車
當制動火箭引擎啟動後，美國宇航局的鳳凰號開始進一步減速到達火星表面，並恢復自身的平衡以安全著陸在火星上。
10、火星上的冰站
此圖顯示鳳凰號著陸火星表面後在著陸點展開其生死攸關的太陽能板和尖端帶鏟子的機器臂。
新發現
美國航空航天局新發現
中新社洛杉磯2008年6月21日電 美國航空航天局(NASA)科學家二十日正式宣布，“鳳凰”號火星著陸探測器在著陸地點附近挖到的發亮物質是冰凍水，從而證實火星上的確存在水。這也是人類通過探測器在地球以外首次獲得冰凍水樣本。
2008年6月15日，“鳳凰”號 探測器在挖掘火星表面的紅土時發現了一些發亮的小方塊，在陽光的照射下，四天后這些小方塊消失了。
“鳳凰”號探測任務負責人、來自美國亞利桑那大學的科學家彼得·史密斯在亞利桑那州圖森市舉行的新聞發布會上說：“今天，我自豪而高興地宣布，我們已經找到證據，證明這些堅硬的明亮物質的確是冰凍水，不是其他什麼物質。”
據介紹，科學家已經排除了這些小方塊是乾冰或鹽的可能性。因為鹽不會蒸發;而二氧化碳需要更低的溫度才能變成固態(乾冰)。在鳳凰號著陸地點白天的溫度大概是零下32℃，晚間是零下80℃。在火星稀薄的大氣中，乾冰需要更低的溫度。彼得·史密斯說，在火星上，水的沸點只有4℃，水在很低的溫度下就會迅速蒸發。
美國航空航天局科學家同時透露，鳳凰號機械臂2008年6月19日在挖掘時碰到了堅硬的表層，科學家判斷這很可能是更大的冰層。
科學家稱，他們要探索的真相不僅僅是在火星上找到水，還要探尋火星上的礦物質、化學成分和有可能的有機化合物。
首次發現
火星下雪
中新社洛杉磯2008年9月29日電火星上也有下雪！美國鳳凰號火星探測器已經探測到來自火星雲層的降雪，而且找到了火星上曾經存在液態水的最新證據。
美國航空航天局(NASA)當天公布了鳳凰號火星探測器的最新科學成果。鳳凰號上一個用來收集火星大氣層和火星表面相互作用的雷射設備已經探測到火星降雪，降雪來自鳳凰號著陸點上空大約四千米的火星雲層，數據顯示降雪在到達火星表面前已經氣化。
負責鳳凰號氣象檢測系統的加拿大約克大學教授吉姆·懷特威說，火星上下雪的景觀從來沒有被發現過，科學家未來將尋找可能降落火星表面的降雪。
除了首次發現降雪，鳳凰號還找到了火星上存在碳酸鈣和粘土的線索。碳酸鈣是石灰石的主要成分，在地球上，絕大部分碳酸鹽和粘土只有在液態水的作用下才能形成。這些證據來自鳳凰號上的熱力與釋出氣體分析儀(TEGA)及電化學傳導性顯微鏡分析儀( MECA)。
鳳凰號採集到的火星土壤樣本被裝入“熱力與釋出氣體分析儀”進行加熱，結果釋放出無色氣體，經質譜儀分析，這種氣體就是二氧化碳，而且釋放氣體的溫度與大家熟知的碳酸鈣釋放二氧化碳溫度一致。通過電化學傳導性顯微鏡分析儀檢測，發現土壤樣本中鈣的濃度與碳酸鈣緩衝液的鈣含量一致。此外，通過鳳凰號上的原子力顯微鏡分析，土壤中有一些表面光滑的微粒，這些微粒與粘土十分相像。
截至6月29日，原計畫運轉三個月的鳳凰號火星探測器已經工作了一百二十七天。因火星公轉的原因，鳳凰號著陸點的太陽照射越來越少，隨著太陽能的逐步衰減，鳳凰號的活動將逐漸減少。科學家表示，10月底，因為電力不足，機械臂將停止工作，預計2008年底鳳凰號將停止運轉。在能量耗盡前，科學家將嘗試開啟鳳凰號上的麥克風，期望記錄下來自火星的神秘聲音。
遇到災難
鳳凰號的災難
為什麼去火星的路這么艱難？
首先，地球與火星之間的通訊無法保障，火星和地球說是最“親近”的哥兒倆，那是天文觀念，其實他們遠著呢，即使最近的距離也有5500萬千米，加上兩顆星球都還自轉，這讓從地球發出去的電磁波無法保證能持續、準時、穩定地傳給火星太空船。另外，科學家通過儀器給太空船發去的指令（也是另一種電磁波），只能在五分鐘後到達，而太空船在火星上遇到什麼狀況，也是在5分鐘之後到達，地球上的科學家才知道。通訊不暢的問題還真不小，好在在“鳳凰”之前美國已發射出好幾艘火星無人太空船，這些弟兄們可以幫“鳳凰”往地球傳話。其次，降落困難大。飛船飛入火星大氣層以後，要遭遇“黑色7分鐘”。也就是飛船飛入火星大氣層到降落，大約要經過7分鐘的時間，然而在這短短的七分鐘裡，飛船要經受嚴峻的考驗：要避免被火星的大氣層燒掉，準確在火星大氣層展開降落傘，準確開啟剎車火箭，保證上面的儀器不被摔壞，保證飛船著落時沒有“四腳朝天”等。另外，火星大氣濃度僅為地球大氣濃度的1%，飛船著落時想利用空氣的浮力，難！以前很多火星太空船著落器都是在著落這個環節失敗的，摔壞在了火星上。
“鳳凰”號逐漸被“凍死”
美國國家航空和航天局2008年6月28日宣布，將從當天開始逐個關閉“鳳凰”號火星著陸探測器上的加熱器，以節約能量，讓“鳳凰”號在探測使命結束前完成更多工作。而這一探測器也將在火星漸漸到來的嚴冬中被“凍死”。
國家航空和航天局2008年6月28日在一份聲明中說：“與預期相同,火星北半球正由夏季轉入秋季。由於白晝變短,太陽能電池板收集陽光時間變少,探測器發電量降低。”
國家航空和航天局噴氣推進實驗室項目經理戈爾德施泰因說,如果不採取措施,“鳳凰”號的用電量將超過發電量,工作難以持續。
國家航空和航天局2008年6月28日起開始逐個關閉“鳳凰”號上4個加熱器。沒有了這些加熱器,“鳳凰”號上的機械臂將無法繼續使用。隨著火星進入嚴冬,“鳳凰”號的信號將最終消失。
