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火星科學實驗室

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此條目介紹的是整個飛行任務。關於該任務使用的火星探測車，請見「好奇號」。
火星科學實驗室
火星科學實驗室巡航時的總體外觀
任務類型火星探測車
運營方美國太空總署
國際衛星識別碼2011-070A
衛星目錄序號37936
網站火星科學實驗室
任務時長計劃: 669個火星日
     (687天)
實際: 4407火星日
     (4527 天)
太空飛行器屬性
製造方噴氣推進實驗室
發射品質3839千克(8463磅) [1]
任務開始
發射日期2011年11月26日協調世界時15時02分[2] [3] [4]
運載火箭擎天神5號541型 (AV-028)
發射場卡納維爾角空軍基地41號航天發射台 [5]
承包方聯合發射聯盟
火星探測車
著陸日期2012年8月6日協調世界時5時17分[6] SCET[7]
MSD 49269 05:53 AMT [8]
著陸點蓋爾撞擊坑內「布雷德伯里著陸場」 4°35′22″S 137°26′30″E / 4.5895°S 137.4417°E / -4.5895; 137.4417[9][10]

火星科學實驗室（英語：Mars Science Laboratory，縮寫：MSL）是2011年11月26日由美國太空總署發射的無人火星探測任務[2]，該任務於2012年8月6日在蓋爾撞擊坑成功降落了「好奇號」火星車[3][6][7][11]。總體目標包括調查火星宜居性、研究其氣候和地質，以及為載人火星任務收集相關資料[12]。該火星車搭載了由國際團隊設計的各種科學探測儀器[13]。

概述

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哈伯太空望遠鏡火星視圖:可在中間偏南偏左處看到一個小黑點-蓋爾撞擊坑，塵埃從那裡向南延伸。

火星科學實驗室成功實現了迄今為止所知太空飛行器中最精準的一次火星著陸，它降落在蓋爾撞擊坑埃俄利斯沼內一處範圍僅7×20公里（4.3×12.4英里）的橢圓形小目標區內[14]，位於距目標中心以東2.4公里（1.5英里）、以北400米（1300英尺）處[15][16]，該位置靠近山埃俄利斯山（又稱「夏普山」）[17][18]。火星車任務將在5×20公里（3.1×12.4英里）的範圍內探索至少687個地球日（1個火星年）[19]。

火星科學實驗室任務是美國太空總署火星探索計劃的一部分，為加利福尼亞理工學院噴氣推進實驗室管理的一項長期性無人火星探測專案，火星科學實驗室專案的總成本約為25億美元[20][21]。

之前已成功登陸的美國火星探測車包括火星探路者號任務中的「旅居者號」和火星探測漫遊者「精神號」和「機會號」，而「好奇號」較之「精神號」和「機會號」重五倍，長兩倍[22]，所攜帶的科學儀器品質則超過了十倍[23]。

目標與任務

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火星科學實驗室在蓋爾撞擊坑第85個火星日（2012年10月31日）的自拍照。
關於結果和發現，請見「火星科學實驗室任務年表」。

火星科學實驗室有四大探索目標：確定著陸點的宜居性及水的作用、研究火星氣候和地質，為未來載人火星任務作準備。

為實現這些目標，火星科學實驗室確立了八項主要科學任務：[24]

生物學：
  • （1）測定有機碳化合物的性質和分布；
  • （2）研究構成生命基石的化學物質（碳、氫、氮、氧、磷和硫） ；
  • （3）辨識可能代表生物作用影響的特徵（生命印跡）。
地質和地球化學
  • （4）研究火星表面和地表下地質材料的化學、同位素和礦物成分；
  • （5）解釋所形成的作用過程及岩石和土壤改性。
行星演化：
表面輻射：
  • （8）描述表面包括宇宙輻射、太陽質子事件和次級中子等在內的各類輻射。作為探索的一部分，它在前往火星途中，還測量了太空飛行器內的輻射暴露水平，並在探索火星表面時繼續進行輻射測量，這些資料對未來人類任務非常重要[25]。

經一年的表面探測，在評估了古代火星可能適宜微生物生存後，火星科學實驗室任務目標已轉為開發有機化合物和生物分子儲存處理的預測模型，一門稱作埋藏學的古生物學分支[26]。

裝置

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太空飛行器

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總裝後的火星科學實驗室
火星科學實驗室太空飛行器示意圖：1- 巡航段；2-後罩；3-下降段；4- 「好奇號」火星車；5-防熱盾 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）； 6-降落傘

太空飛行器的飛行系統發射品質為3893千克(8583磅)，包括帶動力的地球-火星間巡航段(539 千克(1188磅))、進入-下降-著陸(EDL)系統（2401千克(5293磅)，含390千克(860磅)著陸推進劑）和一輛安裝有整合儀器組件的899千克(1982磅)移動漫遊車[1][27]。

在前往火星的太空飛行過程中，除漫遊車上的輻射評估探測器（RAD）外，太空飛行器還使用了其它航天專用儀器。

  • 火星科學實驗室進入-下降-著陸儀(MEDLI): 該探測器主要用於監測氣動熱環境、隔熱層材料變化、飛行器方向和大氣層密度[28]。該儀器套件安裝在火星科學實驗室大氣層進入飛行器的防熱盾中，所取得的資料將用來驗證火星大氣層模型，明確未來著陸器的設計裕度，從而支援未來的火星任務。進入-下降-著陸儀(MEDLI)主要由三大子系統構成：整合感測器探頭（MISP）、火星大氣層進入資料系統（MEADS）和感測器電子支援裝置（SSE）。

火星車

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顏色編碼的火星車示意圖
主條目：好奇號 § 裝置

「好奇號」漫遊車的品質為899千克(1982磅)，由多工放射性同位素熱電發電機（MMRTG）供電的六輪搖杆轉向架系統每小時可行駛90米(300英尺)，並使用X波段和特高頻波段進行通訊。

  • 電腦：兩台相同的車載電腦，稱為「漫遊車計算元件」(RCE)，包含抗輻射主記憶體，可承受來自太空的極端輻射，並防止斷電迴圈。每台電腦的主記憶體包括256KB的可擦除唯讀記憶體、256MB的隨機存取記憶體和26GB的快閃記憶體的[29]。與之相比，火星探測漫遊者使用的主記憶體容量則為3MB的可擦除唯讀記憶體，128MB的隨機存取記憶體和256MB的快閃記憶體容量[30]。
車載電腦使用執行頻率為200兆赫茲的"RAD750"型晶片(火星探測漫遊者所用「RAD6000」晶片的後續型)[31][32][33]，RAD750 晶片處理速度高達400百萬指令/秒(MIPS)，而 RAD6000 型晶片最多只支援每秒3500萬條指令[34][35]。在兩台車載電腦中，一台設定為備份，在主電腦出現問題時接管[29]。
漫遊車安裝有慣性測量單元(IMU)，可提供用於導航的三軸位置資訊[29]。漫遊車上的電腦不斷進行自我監控，如調節漫遊車溫度等[29]，以保持自身的正常執行，而拍照、駕駛和操作儀器等活動則是按照飛行團隊傳送來的指令執行[29]。
漫遊車電腦執行的VxWorks，為溫瑞爾系統公司編程的即時作業系統[36]。在火星之旅期間，VxWorks 執行了專門用於任務導航和制導階段的應用程式，且還有一套預編程軟體用於處理複雜的進入-下降-著陸操作。著陸後，這些應用程式都將被執行地面駕駛和探測活動的軟體替換[37][38][39]。
可接收訊號的戈德斯通天線
小型深空轉發器
厄勒克特拉簡化版轉發器
參見：火星探測車嵌入式電腦系統比較
  • 通訊：以備冗餘，「好奇號」配備了多種通訊方式，一台通過深空網路直接與地球通訊的X波段小型深空轉發器[40]；另一台為與火星軌道器通訊的特高頻「厄勒克特拉簡化版」軟體無線電[27]:46。X波段系統有一台帶15瓦功率放大器的無線電及兩副天線：其中一副為低增益全向天線，可以以極低的資料速率（最大15位元組/秒）與地球通訊，無論漫遊車所處方位如何；另一副高增益天線，可以以32千位元組/秒的速度通訊，但必須瞄準；特高頻系統有兩台無線電（發射功率約為9瓦[27]:81)，共享一架全向天線，它可分別以2百萬位元組/秒和256千位元組/秒的傳輸速率與火星勘測軌道飛行器(MRO)和2001火星奧德賽號軌道器(ODY)通訊，但每艘軌道飛行器每天只能與「好奇號」通訊約8分鐘[41]。軌道飛行器擁有更大的天線和更強的無線電，可比漫遊車的直接傳輸更快地將資料發回地球。因此，「好奇號」（火星科學實驗室）發回的大部分資料都是通過這兩顆衛星的超高頻中繼鏈路轉發，前10天的資料返回量約為每天31百萬位元組。
通常，在15分鐘（900秒）的通訊窗口期內，從地球以1-2千位元組/秒的資料速率直接向火星車傳送225千位元組/天的指令，而火星車收集的大量資料則通過衛星中繼傳回[27]:46。與地球的單向通訊延遲時間從4分鐘到22分鐘不等，具體取決於兩顆行星間的相對位置，平均約為12.5分鐘 [42]。
著陸時，「2001火星奧德賽」軌道器、「火星勘測軌道飛行器」和歐洲太空總署「火星快車號」進行了監測。奧德賽號能將超高頻遙測資料即時傳回地球，傳遞時間因兩行星間的距離而異，著陸時為13分46秒[43][44]。
「好奇號」的車輪，三條水平車輪紋上的小(點)和大(槓)孔表示了「JPL」(噴氣推進實驗室)的莫爾斯電碼符號，每行上的代碼從右向左讀取。
  • 行駛系統：與較小的前一代不同，「好奇號」配備的六輪搖杆-轉向懸架系統[45][46]還用作車輛的起落架。這些車輪比之前火星車上所用車輪大得多（直徑50厘米），每隻車輪都有防滑齒，獨立驅動和換檔，可在軟沙地中攀行和攀岩。四隻角輪可獨立轉向，允許車輛原地或弧形轉彎[27]。車輪上的車紋有助於保持牽引力，並在火星沙質地表留下車轍印痕，車載相機通過這種車痕來判斷行駛距離。車輪紋本身是「噴氣推進實驗室」英文縮寫「JPL」的莫爾斯電碼符(•−−− •−−• •−••)[47]。根據車輛質心位置設定，好奇號可在任何方向上傾斜至少50度而不會翻倒，但自動感測器將限制漫遊車傾斜超過30度[27]。

探測儀器

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主要探測儀器
APXS – 阿爾法粒子X射線光譜儀
ChemCam – 化學和攝像綜合設施
CheMin – 化學與礦物分析儀
DAN – 中子反照率動態探測器
Hazcam – 避障相機
MAHLI – 火星手部透鏡成像儀
MARDI – 火星著陸相機
MastCam – 桅杆攝錄影機
MEDLI – 進入下降著陸儀
Navcam – 導航相機
RAD – 輻射評估探測器
REMS – 漫遊車環境監測站
SAM – 火星樣本分析裝置
主條目：好奇號 § 裝置
「好奇號」的陰影和埃俄利斯山(「夏普山」)

常規分析策略是從高解析度相機發現的感興趣特徵開始，如對某一特定表面感興趣，「好奇號」則可用紅外雷射蒸發其中的一小部分，並檢查所產生的光譜特徵以查詢岩石的元素成分。如果這一特徵引起了人們的關注，漫遊車將交替使用機械手臂上的顯微鏡和X射線光譜儀進行仔細的觀察。如需對樣本作進一步分析，「好奇號」則可鑽入岩石並將粉末樣本送入探測車內的樣本或化學與礦物分析實驗室[48][49][50]。

輻射劑量比較—包括火星科學實驗室上的輻射評估探測器在從地球到火星途中檢測到的劑量（2011年-2013年）[58][59][60]。
  火星表面500天
  180天火星旅程
  國際太空站半年
  美國能源部輻射從業者年限額
  腹部CT掃描
  美國年均水平，所有來源
  年宇宙輻射水平(海平面)
  • 「好奇號」上的輻射評估探測器。
    輻射評估探測器 (RAD):該儀器在火星科學實驗室上十台檢測裝置中第一個被打開，無論在途中還是在火星表面，它都描繪出了火星環境中所承受的各類輻射特徵。自發射後打開以來，它記錄到了由太陽引發的數次輻射峰值[61]。2013年5月31日，美國太空總署科學家報告說稱，根據2011-2012年火星科學實驗室的輻射評估探測器在從地球前往火星期間檢測到的高能粒子輻射量，未來載人火星任務可能會面臨巨大的輻射風險[58][59][60]。
  • 中子反照率動態探測器 (DAN):應用於測量火星表面或附近氫或冰及水的脈衝中子源和探測器[62][63]。2012年8月18日(第12個火星日)，俄羅斯研製的探測裝置—中子動態反照率測量儀開啟[64]，標誌著俄美在火星探索合作上取得了成功，也是自火星3號發射後的40多年來，俄羅斯第一台在火星表面工作的科學儀器[65]，該儀器設計用於探測地下水[64]。
  • 漫遊車環境監測站 (REMS):西班牙和芬蘭提供的氣象測量套件和紫外線感測器[66]，用來測量濕度、氣壓、氣溫、風速和紫外輻射[66]。
  • 攝相機:「好奇號」總共安裝有17台相機[67]—12台工程相機（避險和導航相機）、5台科學探測相機。其中：馬林空間科學系統公司開發了火星手部透鏡成像儀、著陸相機和桅杆相機，它們都共享相同的設計組件，如車載電子成像處理盒、1600×1200電荷耦合器件和拜爾濾色鏡[68][69][70] [71][72][73]。該公司還開發了一對可變焦距鏡頭的相機[74]，但由於新硬體需要時間測試，加之2011年11月的發射日期即將來臨[75]，這種相機沒用在好奇號漫遊車上，不過改進後的變焦版本（Mastcam-Z）已被選定用於火星2020任務[76]。
    • 兩台桅杆相機與瑞士軍刀對比
      桅杆相機(MastCam)：桅杆相機系統通過兩台相機提供多種光譜和真彩成像[69]，可拍攝1600×1200像素的真彩圖像和高達10訊框/秒的高畫質(1280×720)硬體壓縮影片[77]。桅杆相機中一台為中角度相機(MAC)，擁有34毫米焦距和15度視場，可拍攝1公里範圍比例為22厘米/像素(8.7英寸/像素)圖像。另一個桅杆相機是窄角相機(NAC)，焦距為100毫米(3.9英寸)，視場5.1度，可拍攝1公里(0.62英里)範圍的7.4厘米/像素(2.9英寸/像素)比例圖像[69]。每台相機都有8G的快閃記憶體，能儲存5500多幅原始圖像，並可應用即時無失真資料壓縮[69]。這些相機具有自動對焦功能，可對焦2.1米(6英尺11英寸)到無限遠處的物體[72]。除了固定的RGBG拜爾濾色鏡外，每台相機都有一個八位濾鏡輪。雖然拜爾濾鏡會降低可見光通量，但在波長超過700奈米時，所有這三種顏色大多透明，且對此類紅外觀測的影響最小[69]。
    • 火星手部透鏡成像儀(MAHLI)：該系統由安裝在漫遊車機械手臂上的相機組成，用於取得岩石和土壤的顯微圖像，帶有白色和紫外發光二極體照明。
  • 化學相機：羅傑·溫斯(Roger Wiens)設計的一套遙感儀系統，用於擊穿10米以外的火星表面，並測量構成陸地的不同組成成分[78]。該裝置包括第一次用於行星科學的雷射誘導擊穿光譜（LIBS）系統以及「好奇號」第五台科學相機，即遠端顯微成像儀(RMI)。遠端顯微成像儀能在0.02弧度(1.1度)的視場中提供1024×1024解析度的黑白圖像，[79]大約相當於35毫米相機的1500毫米鏡頭。
火星著陸相機
著陸相機看到的火星表面
  • 火星著陸相機(MARDI)：在降落火星表面的過程中，著陸相機每秒取得4張像素為1600×1200，曝光時間0.9毫秒的彩色圖像。從3.7公里高度準備拋棄隔熱罩前不久開始，每秒拍攝4次，直到著陸後數秒鐘。這些相片提供了火星車在著陸過程中運動的工程資訊，以及它周邊地形的科學資訊。2007年，美國太空總署沒有採用著陸相機，但馬林空間科學系統公司利用自己的資源進行了開發[80]。著陸後，它可拍攝1.5毫米/像素(0.059英寸)的表面視圖拍攝[81]，首張著陸後的相片拍攝於2012年8月27日(第20個火星日)[82]。
  • 工程相機：另外還有12台抽取式相機：
    • 避障相機(Hazcams)：火星車的四個角落都安裝有兩台黑白導航相機(避障相機)[83]，它們提供了即將進入車輪下方的潛在障礙物特定視圖。
    • 導航相機(Navcams)：火星車使用安裝在桅杆上的兩對黑白導航相機來支援地面導航[83]，它們提供了前方更遠處的地形視

歷史

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火星科學實驗室的巡航段正在加利福尼亞州帕薩迪納附近的噴氣推進實驗室進行測試。

火星科學實驗室在2003年被美國國家研究委員會十年調查委員會推薦為最優先級的中型火星任務[84]。2004年4月，美國太空總署發布火星車科學儀器提案公告[85]，並在同年12月14日選定了八項建議[85]。部件的測試和設計也於2004年底開始，包括洛克達因航太公司設計的可在燃料泵入壓力固定情況下，將推力從15%調節至100%的單推進劑引擎[85]。

成本超支、延期和發射

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到2008年11月，大部分軟硬體已開發完成，但測試仍在繼續。此時，成本超支約4億美元[86][87]。為趕上發射日期，取消了一些儀器和樣本儲存，簡化了其他儀器和相機，以加快探測車的測試和整合[88]。次月，由於測試時間不足，美國太空總署將發射時間推遲至2011年底[89][90][91]。最終，火星車開發成本達到24.7億美元，這還只是最初被列為中等成本任務、最高預算為6.5億美元的火星車所花費的開支，此外，宇航局還需要另外的8200萬美元來滿足11月計劃的發射。截至2012年，該專案已超支了84%[92]

火星科學實驗室於2011年11月26日從卡納維爾角搭乘擎天神五號火箭發射升空[93]。2012年1月11日，該太空飛行器在三個小時內通過一系列助推器引擎的點火，成功改善了軌道，將火星車著陸時間提前了約14個小時。火星科學實驗室發射時，該專案的負責人是美國太空總署行星科學部門的道格·麥克奎斯遜[94]。

2012年8月6日協調世界時5時17分57秒，「好奇號」成功降落在蓋爾撞擊坑中[3][6][7][11]，並傳送了避險相機確認方向的圖像[11]。由於著陸時火星與地球間的距離以及無線電訊號的延時，著陸後14分鐘內地球沒收到訊號[11]。「火星勘測軌道飛行器」發回了一張高解析度成像科學裝置相機拍攝的「好奇號」在降落傘下下降的相片。

著陸數小時後，「好奇號」團隊六名資深成員召開了新聞發布會，他們是：

  • 美國太空總署副局長約翰·格倫斯菲爾德
  • 噴氣推進實驗室主任查爾斯·伊拉奇(Charles Elachi)
  • 火星科學實驗室專案經理彼得·泰辛格(Peter Theisinger)
  • 火星科學實驗室專案副經理理察·庫克(Richard Cook)
  • 火星科學實驗室進入、下降和著陸負責人亞當·施特爾茨納(Adam Steltzner)
  • 專案科學家約翰·格勒青格(John Grotzinger)[95]。

命名

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華裔女學生馬天琪。

2009年3月23日至29日期間，公眾通過美國太空總署網站上的一項民意調查[96]，對九條入圍火星車征名的名字（探險、阿米莉亞、征程、洞察、追求、黎明、視野、奇蹟和好奇）進行了投票[97]。2009年5月27日，宣布獲勝名稱為「好奇號」。該名字是由堪薩斯州六年級華裔女學生馬天琪(Clara Ma)在一次作文比賽中提交的[98][99][100]。

好奇心是永恆的火焰，它在每個人心中燃燒，讓我早上起床，就想知道這天的生活會帶來怎樣的驚喜；好奇心是一股強大的力量，沒有它，我們就不會成為今天的我們；好奇心是我們日常生活中的激情之源，正因為我們充滿想像力和好奇心，我們才能成為探險家和科學家。

——馬天琪，美國太空總署/噴氣推進實驗室火星車命名競賽

著陸地選擇

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坐落在蓋爾撞擊坑中間的埃俄利斯山 – 綠點 標誌出「好奇號」火星車在埃俄利斯沼中的著陸點[101][102] – 下方為北。

在評估過60多處著陸後點，2011年7月，最終選擇了蓋爾撞擊坑。選擇該地的主要目的是確定一處特定的地質環境，或一類支援微生物生命的環境。規劃人員希望尋找一處有助於實現多種科學目標的地點，他們更傾向選擇在形態和礦物上能證明曾有過水的著陸點。此外， 首選光譜顯示存在多種水合礦物，粘土礦物和硫酸鹽構成豐富的場所。赤鐵礦、其他氧化鐵、硫酸鹽礦物、矽酸鹽礦物、二氧化矽以及可能的氯化物礦物等被認為是化石儲存的可能基質，事實上，所有這些在地球上都有助於儲存化石形態和分子[103]。複雜的地形有利於找到宜居條件的證據，但漫遊車必須能安全到達現場並在其中行駛[104]。

工程限制著陸點與火星赤道間夾角必須小於45度，且不高於參考基準面1公里[105]。在首次火星科學實驗室著陸點研討會上，確定了33處候選著陸點[106]。到2007年底第二次研討會結束時，名單已減至6處[107][108]；2008年11月，在第三次研討會上，專案負責人將該名單縮小到以下四個著陸點[109][110][111][112]：

名稱 位置 高度 注釋
埃伯斯瓦爾德撞擊坑三角洲 23°52′S 326°44′E / 23.86°S 326.73°E / -23.86; 326.73 -1450米(-4760英尺) 古河流三角洲[113]。
霍頓撞擊坑沖積扇 26°22′S 325°06′E / 26.37°S 325.10°E / -26.37; 325.10 -1940米(-6360英尺) 乾涸湖床[114]。
蓋爾撞擊坑 4°29′S 137°25′E / 4.49°S 137.42°E / -4.49; 137.42 -4451米(-14603英尺) 坑中有一座5公里(3.1英里)高的層狀山丘[115]，中選[101]。
馬沃斯谷位置二 24°01′N 341°02′E / 24.01°N 341.03°E / 24.01; 341.03 -2246米(-7369英尺) 被特大洪水沖刷出的河道[116]。

2010年9月下旬舉行了第四次著陸點研討會[117]；第五次也是最後一次研討會於2011年5月16日至18日召開[118]。2011年7月22日，宣布蓋爾撞擊坑被選為火星科學實驗室任務的著陸場。

發射

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火星科學實驗室從卡納維爾角發射升空

運載火箭

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擎天神五號運載火箭可將高達8290千克（18280磅）的載荷發射到地球同步轉移軌道[119]，它曾發射過火星勘測軌道飛行器和新視野號探測器[5][96]。

2011年10月9日，一、二級運載火箭與固體助推器一起被豎立在發射台旁，2011年11月3日，裝載了火星科學實驗室的整流罩被運至發射台[120]。

發射過程

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2011年11月26日協調世界時15時02分，火星科學實驗室搭乘聯合發射聯盟提供的擎天神5號541型運載火箭，從卡納維爾角空軍基地41號航天發射台發射升空[121]。該型兩級火箭的第一級為捆綁了四台固體火箭助推器（SRB）、由RD-180火箭發動機驅動的3.8米（12英尺）長公共核心助推器（CCB）；第二級為帶有直徑5米載荷整流罩的半人馬座火箭[122]。 美國太空總署的發射服務計劃依據美國太空總署發射服務 (NLS)I合同協調執行[123]。

巡航

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火星科學實驗室的軌跡動畫
  地球 ·   火星 ·   火星科學實驗室

火星轉移軌道

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2011年11月26日，火星科學實驗室太空飛行器發射不久，阿特拉斯五號運載火箭的半人馬座上面級就將它推離地球軌道，插入日心火星轉移軌道[122]。在與半人馬座火箭分離前，為確保姿態控制，太空飛行器在36210公里/小時（225500英里/小時）前往火星的巡航期間，以每分鐘2圈的轉速保持自旋穩定[124]。

在巡航過程中，部署在兩組中的八具推進器被用作致動器來控制自旋速率，並執行軸向或橫向軌跡修正機動[27]。通過環繞中心軸旋轉，使它保持了穩定的姿態[27][125][126]。一路上，巡航段進行了四次軌跡修正操作，以調整太空飛行器朝向著陸點的路徑[127]。兩部X波段天線將相關資訊發回給任務控制員[128]。巡航段的一項關鍵任務是控制所有太空飛行器系統的溫度，並將太陽能電池和電機等電源產生的餘熱散發到太空中。在一些系統中，多層隔熱毯確保一些敏感科學儀器的溫度高於太空近絕對零度以上。恆溫器監控溫度並根據需要打開或關閉加熱和冷卻系統[128]。

巡航階段

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巡航

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組裝中的火星科學實驗室巡航段

巡航段載著火星科學實驗室太空飛行器穿越浩瀚的太空將它運送至火星，這次星際飛越在253天內完成了3.52億英里的路程[129]。巡航級有自己的微型推進系統：八具使用兩隻鈦制油箱中聯氨燃料[128]的推進器；它也有自己的電力系統，由太陽能電板和電池組成，以提供持續的電力。到達火星後，太空飛行器停止自旋，一台電纜切割剪將巡航級與氣動外殼分離[128]，隨後巡航級轉移到單獨的軌道進入火星大氣層[130][131]。2012年12月，「火星勘測軌道飛行器」發現了巡航段的碎片場。由於硬體的原始尺寸、速度、密度和撞擊角已知，它將可提供火星表面撞擊過程和大氣層特性的資訊[132]。

進入、下降和著陸

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太空飛行器進入、下降和著陸系統

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參見：火星科學實驗室任務年表

由於火星大氣層太稀薄，僅靠降落傘和大氣制動無法實現有效著陸[133]，因此在火星上著陸大品質物體特別具有挑戰性。雖然之前的一些任務使用安全氣囊來緩解著陸時的衝擊，但「好奇號」火星車太重，無法採用這種方法。取而代之的是，「好奇號」使用了一種新的高精度進入、下降和著陸系統（EDL）來降落到火星表面。該系統是火星科學實驗室太空飛行器下降段的一部分，包括降落傘、空中吊車、燃料和氣動外殼，總品質2401千克（5293磅）[134]。與火星探測漫遊者著陸系統使用的150×20公里（93×12英里）橢圓著陸區相比[135]，新系統可將「好奇號」降落在一處20×7公里（12.4×4.3英里）範圍的橢圓著陸區內[102]。

進入-下降-著陸（EDL）系統不同於其他任務使用的系統，它不需要互動式地由地面生成任務計劃。在整個著陸階段，著陸器將根據預載入的軟體和參數自動執行[27]。進入-下降-著陸系統基於海盜號衍生的減速結構和推進系統，用以精確引導進入和軟著陸，與20世紀90年代中期火星探路者號和火星探測漫遊者任務使用安全氣囊著陸形成對比。太空飛行器按精確順序使用數個系統，將進入、下降和著陸順序劃分為四個部分[135][136]—以下描述了2012年8月6日展開的航天事件。

2012年8月6日，進入-下降-著陸過程

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從巡航段分離到展開降落傘進入火星大氣層的過程。

儘管著陸時間很晚，尤其是美國東海岸，當時為凌晨1時31分[6]，但著陸引起了公眾極大的興趣。有320萬人觀看了著陸現場直播，大多數人通過網路觀看，而不是通過美國太空總署電視頻道或有線新聞網路直播[137]。經過56327.04萬公里（3.5億英里）的旅程後，火星車的最終著陸點距目標不到2.4公里（1.5英里）[39]。除了串流媒體和傳統的影片觀看之外，噴氣推進實驗室還製作了太陽系之眼，這是一種基於真實資料的進入、下降和著陸三維即時類比。根據噴氣推進實驗室預測，好奇號在軟體中顯示的著陸時間與現實相差不到1秒[138]。

火星科學實驗室到火星的進入-下降-著陸階段只花了七分鐘，並按照噴氣實驗室工程師預先編程的順序自動展開，進入、下降和著陸順序發生在四個不同事件階段[135][136]：

進入引導

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引導進入是讓太空飛行器精確轉向計劃的著陸點的階段

精確引導進入利用機載電腦能力引導自身朝向預定著陸點，將著陸精度從數百公里提高到20公里（12英里）。這種能力有助於消除可能出現在較大著陸橢圓區中的一些不確定著陸危險[139]。轉向是通過綜合使用推進器和可彈出平衡塊來實現的[140]，可彈出平衡塊移動降落艙的質心，從而在大氣層階段產生升力向量。導航電腦收集測量到的資料，估算生成自動扭轉太空艙位置和姿態的指令，這是首個使用精確著陸技術的行星任務。

火星車被收起放置在穿越太空和進入火星大氣層期間保護它的氣動外殼內。在進入大氣層前10分鐘，氣動外殼與飛行途中提供動力、通訊和推進的巡航段分離。分離一分鐘後，為抵消太空飛行器每分鐘2圈的自轉，氣動外殼上的引擎點火，並使隔熱罩朝向火星，為進入大氣層做準備[141]。隔熱罩由酚碳熱燒蝕板(PICA)製成，直徑4.5米（15英尺）的隔熱罩是有史以來太空飛行中最大的[142]，它通過與火星大氣層的摩擦燒蝕，降低太空飛行器速度，使大氣介面速度從約5.8公里/秒（3.6米/秒）降低到約470米/秒（1500英尺/秒），大約4分鐘後，就可展開降落傘。進入大氣層1分15秒，隨著大氣壓力將動能轉化為熱量，隔熱罩經歷了高達2090攝氏度（3790華氏度）的峰值溫度。熱峰值10秒後，減速峰值達到15個g[141]。

降低著陸精度誤差的大部分方式是通過再入引導演算法實現的，該演算法源自阿波羅計劃中用於引導阿波羅指令艙返回地球的演算法[141]。該制導利用氣動外殼承受的升力來「飛出」任何探測到的範圍誤差，從而到達目標著陸點。為了使氣動外殼具有升力，其質心需偏離中軸線，從而在大氣層飛行中產生偏心配平角。這是通過在進入大氣層前幾分鐘彈出兩個75千克（165磅）鎢配重壓載物實現的[141]。升力向量由兩組四台反推力系統（RCS）引擎控制，每對引擎約產生500牛（100磅力）的推力。這種改變升力方向的能力使太空飛行器能夠對周圍環境做出反應，並轉向著陸區。在降落傘展開之前，進入飛行器彈出更多的壓載物，包括六塊25千克（55磅）的鎢塊，從而消除了重心偏移[141]。

傘降

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火星科學實驗室的降落傘直徑為16米（52英尺）。
2012年8月6日，當探測器降落到地面時，美國太空總署的火星勘測軌道飛行器發現了「好奇號」漫遊車及其降落傘。

就像之前的海盜號、火星探路者號和火星探測漫遊者等著陸器一樣，當進入階段完成，降落艙在大約10公里（6.2英里）的高度減速至約470米/秒（1500英尺/秒）時，超音速降落傘釋放[143]。降落傘有80根吊繩，長度超過50米（160英尺），直徑約16米（52英尺）[144]，這種降落傘能在2.2馬赫的速度下展開，在火星大氣層中可產生高達289千牛（65000磅力）的阻力[144]。降落傘打開後，隔熱罩分離並脫落。在探測車感測器確認成功著陸之前的約2分鐘內，探測車下方的一台相機以每秒5訊框（解析度為1600×1200像素）的速度拍攝3.7公里（2.3英里）以下的地面地貌[145]。「火星勘測軌道飛行器」小組獲得了火星科學實驗室在降落傘下下降的圖像[146]。

動力下降

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動力下降階段

降落傘減速後，在大約1.8公里（1.1英里）的高度，仍以大約100米/秒（220英里/小時）的速度下落，火星車和下降段從氣動外殼中掉出[143]。下降段是火星車上方的一座平台，帶有八台可變推力的單組元聯氨火箭推進器，安裝在圍繞該平台的延伸臂上，以減緩下降速度。每台被稱作火星著陸引擎（MLE）的火箭推進器可產生400至3100牛頓（90至697磅力）的推力，是從海盜號著陸器上使用的推進器衍生而來[147]。一架雷達高度計測量高度和速度，並將資料輸入到火星車飛行電腦。同時，火星車從其搭載飛行組態轉變為著陸組態，同時被「天車」系統吊放到下降段下方。

空中吊車

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進入過程從降落傘展開經過動力下降，結束於空中吊車飛離。
「好奇號」火箭動力下降段想像圖。

出於多種原因，火星科學實驗室選擇了一種不同的著陸系統，與之前的火星著陸器和漫遊車相比，「好奇號」被認為太重，無法使用火星探路者號和火星探測漫遊者上採用的安全氣囊著陸系統，且支架式著陸器的方法可能會導致數種設計問題[141]。著陸時，需要有安裝得足夠高的發動機，以避免形成可能損壞火星車儀器的塵埃雲。這將需要較長的著陸支腿，而這些支腿又需要相當大的寬度來保持較低的重心。支架式著陸器還需要組態坡道導軌，以便漫遊車能夠行駛到地面，這會給任務帶來額外的風險，因為偶然的岩石或傾斜會阻止「好奇號」順利駛離著陸器。面對這些挑戰，火星科學實驗室的工程師們提出了一種新穎的替代解決方案：天車[141]。空中吊車系統使用7.6米（25英尺）的繫繩降下火星車[141]，軟著陸-將車輪放落在火星表面[143][148][149]。該系統包括三根吊放火星車的尼龍繫繩和一根在下降階段和漫遊車之間傳輸資訊和電力的電纜。隨著支撐電力和資料電纜的鬆開，火星車的六隻電動車輪卡入到位。在離下降段下方約7.5米（25英尺）高度處，天車懸停，火星車著陸。著陸後，火星車等待兩秒鐘，在通過檢測車輪上的重量確認落在堅實地面上後，觸發數枚爆炸螺栓（小型爆炸裝置）啟用繫繩和電纜上的切割剪，與下降段分離。下降段隨後飛向650米（2100英尺）外墜毀[150]。這種空中吊車的概念以前從未在任務中使用過[151]。

著陸地

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主條目：布雷德伯里著陸場和蓋爾撞擊坑

火星科學實驗室的目標著陸點位於蓋爾撞擊坑 [101][152][153]內一處20×7公里（12.4×4.3英里）的橢圓形區[102]，該隕坑直徑154公里（96英里），坑內坐落了一座高出坑底5.5公里（18000英尺），名為埃俄利斯山（夏普山）的層岩山丘[17][18][154] ，「好奇號」就降落在該山丘前埃俄利斯沼內平坦的「黃刀灣」51區[155][156][157][158]，並將對埃俄利斯山展開調查。

2012年8月6日協調世界時5時31分，在飛越了5.63億公里(3.5億英里）的旅程後[159]，火星車成功降落在距計劃著陸橢圓區中心不到2.4公里（1.5英里）的地方。2012年8月22日，登陸後的第16個火星日，美國太空總署將該著陸點命名為布雷德伯里著陸場[160] 。據美國太空總署稱，發射時，「好奇號」上大約帶有2萬至4萬株耐熱細菌孢子，但實際數量可能是該數字的1000倍[161]。

媒體

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影片

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「火星科學實驗室」從卡納維爾角發射升空。
「驚險七分鐘」，美國太空總署介紹「火星科學實驗室」著陸的影片。
「火星科學實驗室」降落蓋爾撞擊坑表面。
「火星科學實驗室」的隔熱罩撞擊火星地面並揚起塵埃。

圖像

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「好奇號」火星車—布雷德伯里著陸場附近(2012年8月9日)。
「好奇號」看到的夏普山(2012年9月20日；白平衡) (原色)。
「好奇號」前往格萊內爾格途中，從石巢向東眺望波因特湖(中間) (2012年11月26日；白平衡) (原色)。
2015年9月9日，「好奇號」看到的夏普山。
「好奇號」看到的日落時的火星天空(2013年2月；太陽經藝術家類比)。

參見

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延伸閱讀

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相關連結

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