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2004年，美国宇航局（NASA）发射了两台火星漫游车：“勇气号”和“机遇号”。 这两台火星探测车最初设计用于拍摄、探索和研究火星表面的任务，设计寿命只有90天。然而，这两台太阳供能探测车的运行时间远远超过了它们的设计寿命。相隔半个火星的勇气号和机遇号，揭开了一个人类长久以来一直充满好奇的红色星球。 从赤铁矿球团到沉积岩，都是火星过去有丰富的水的证据。近距离观察到火山口壁和沙丘，在火星上发现了第一个铁陨石。因为一直在各个地方探索，机遇号成为了在另一颗行星上足迹最多的探测车。 勇气号运行了六年，直到2010年，它的太阳能板上积满了灰尘，再也不能继续漫游。它一直是一个固定的科学站，直到它的低电池寿命迫使该研究团队完全放弃运作。截至目前，另一台漫游车机遇号仍在工作。 机遇号因为太阳能电池板上积累了灰尘，数次险遭毁灭。但受益于风，太阳能电池板上的灰尘又被吹走，使其能够按计划继续运行。不幸的是，它目前正处于有史以来最严重的沙尘暴中，研究团队正面临着一个大家不愿看到的情况，那就是在火星上已经工作14多年（将近5300天）的机遇号将迎来任务的终结。 不得不令人惊叹，一个为90天任务设计的探测车已经持续工作了14年，但事实上，勇气号和机遇号本都可以持续更长的时间，甚至可能是无限期的。这是为什么呢？ 首台火星漫游车是1997年的索杰纳火星车，它的质量只有11公斤，长度大约0.6米，是为一项7天的任务而设计的。在非常谨慎的操作下，当基站联系中断时，它几乎进行了整三个月的活动。通过前后方摄像头，它在火星表面不同位置拍摄了第一组火星照片，任务结束时行驶距离超过了100米。 因此，下一代需要更大，更坚固，更持久，并且能够走得更远。新的两台火星探测车——机遇号和勇气号，配备大量的科学仪器和高级照相机。它们不需要一个基站，可以直接与地球通信。勇气号和机遇号被设计为至少持续90天，希望通过过度设计探测器，它们可能会持续更长的时间。 最大的忧虑之一是动力。早期阶段考虑了许多选择：放射性同位素、电池和太阳能电池板。根据来自索杰纳的发现结果，火星尘埃会堆积在太阳能电池板上，但是电力只以每个火星日大约0.29%的极慢速度损耗。在90天的任务中，这意味着总共减少了23%的电力。因此，对于如何设计勇气号和机遇号有许多选择。 一种选择是安装一些机械装置，如雨刷，以去除任何积累起来的火星尘埃。在地球上，雨刷非常普遍，所以这似乎是解决这个问题的明显方法。但是涉及到灰尘聚集在像太阳能电池板一样的表面上时，火星和地球在两个重要方面有很大不同。 （1）火星尘埃非常小，非常细。火星上的大气尘埃直径约为3微米，并通过静电力粘附。我们不能像在地球上那样“刷掉它”，大量尘土会依然存在。 （2）火星上没有液体可以进行帮助。火星上的水不会保持液态（除了少量的高氯酸盐水），并且只能携带有限数量的液体。干擦运动会损害帆板表面，这就变成糟糕的解决方案。 不过，还有更好的选择。雨刷较重且复杂，在火星的极端温度下会受到损坏，很容易破碎。第二种解决方案是设计可以倾斜的太阳能电池板。由于火星通常有持续不断的低水平风，所以任何尘埃的积累都可能被火星的自然环境吹走。事实上，火星上有“自然”的清洁事件，但在设计这些漫游车时并不知道。偶尔一晚上的风会把大量的灰尘吹掉，只有在一整个火星年一次风吹都没有的时候，探测器才会无法运行。 这些电池板本可以配备一种静电驱除灰尘的机制。通过对电池板本身充电，一些电荷会转移到尘埃颗粒上，从而导致相互排斥。然后，只要有风就会把悬浮的灰尘吹走，大大提高了探测车的性能。但缺点是有时灰尘颗粒会带电，而且我们无法选择电荷符号，特别是如果它们是很好的绝缘体的话。 最后的考虑是给这些漫游车配备一个压缩空气瓶（或火星空气压缩机）和一个鼓风机臂。就像我们可以用压缩空气来吹掉电脑上的灰尘一样，同样的物理原理在火星上也能奏效。因为只有限量的压缩空气，当自然清洁事件没有帮助复原火星车时，就需要非常节俭地使用它。 如果我们现在从头开始设计这些漫游车，利用现在我们知道的情况，就可以大大延长漫游车的寿命。 然而，NASA最终选择了最具成本效益的解决方案：直接建造更大的太阳能电池板。在90天的任务中，预计灰尘会使光线变暗23%，那么通过建造至少超过23%以上的太阳能电池板，将能确保漫游车拥有足够的能量。火星探测项目工程师Mark Adler表示，当面对清洁电池板的成本和复杂性时，最便宜和最低质量的方法都是使电池板变得更大。在高度受限的预算中，他们不能也不会花任何资金去超出任务要求。 现在，在火星上漫游超过45公里（有史以来最多），并经历5000多天之后，一场沙尘暴可能预示着机遇号的永久终结。 如果安装了一台额外设备，比如安装在机械手臂上的压缩空气鼓风机，那么布满灰尘的太阳能电池板就可以被清理干净。只要探测器有足够的能量储存在电池中来控制和操作鼓风机装置，即使是一个阻挡百分百光线的沙尘暴也不会造成灾难性后果。如果之前就安装了这种装置，那么勇气号本可以摆脱2010年的终结命运，而机遇号也不会像现在一样处于危险之中，经历巨大的沙尘暴。 不过，对于这两台大大超过预期完成任务的漫游车来说，它们的终结并不会让人过于悲伤。但对于下一次任务来说，这是一个宝贵的教训。如果能保护探测车免受火星尘埃的堆积，就有可能在火星上长时间持续运转。 |
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