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正在火星表面探测的勇气号和机遇号最重要的一项使命就是要通过分析火星的岩石查找是否存在水的证据。火星表面经过数以百万年的变迁,在风力、辐射以及灰尘的作用下,岩石的表面和内部有很大的不同。研究岩石内部的情况对于了解火星的起源和变化有十分重大的意义。所以,勇气号和机遇号火星漫游车离开母体以后的第一个行动就是寻找并对准岩石目标。
美国航宇局科学家2月7日宣布,已经"完全康复"的勇气号火星漫游车当天利用它机械臂上的钻孔机花费3个小时在火星表面一块名为"阿迪朗达克"的岩石上钻出了一个深2.7毫米、直径约45毫米的圆形小洞,从而完成了它的又一项历史性任务。与此同时,勇气号的孪生兄弟机遇号也开始钻洞。
科学家们希望,这两个机器"地质学家"对火星岩石的钻探可以帮助人类探寻火星曾经有水存在的线索,并为科学家探测火星地质的演变历史提供线索。
让古老的火星岩石变年轻
在钻孔之前,科学家对岩石的照片进行了仔细研究,确定岩石的一个尖角附近的地方为钻入位置,并通过遥控调整了机械臂和钻孔机的工作角度。勇气号先利用RAT上的刷子刷去岩石表面3平方厘米大小区域上的部分尘土,也刮掉了表面岩层,露出剥离以后一小片黑色的岩石。火星表面有颗粒细小的灰尘层,在灰尘下面可能有风化层和铁锈层,这就如同废弃的汽车的铁锈层那样,铁锈和它下面的钢铁显然是不同的。科学家要从中寻找岩石形成时期的环境条件的证据。随后,勇气号机械臂上的钻孔机钻入岩石内部进行钻磨打洞。
勇气号和机遇号所以能够对火星的坚硬岩石进行钻探,其奥妙在于装备了先进的智能机器人--岩石钻磨工具(RAT)。RAT的概念是喷气推进实验室2001年提出来的,因为具有智能,称为RAT人。它超越了以前的火星探索计划使用的工具。RAT的任务是对选定的火星岩石目标,清扫表面,去掉上面的尘土,剥离表面岩层,暴露新鲜的岩石表面,进行钻探,为其它仪器的分析考察铺平道路。全部工作自动完成。
RAT是体积很小的微型钻探工具,直径7厘米,长度10厘米,重量只有685克。它挂在名为仪器展开装置(IDD)的机械臂前部。IDD的活动类似人的手臂,有肩部、肘部和腕部。它提供的力量除了支撑RAT的运动以外,同时要确定RAT的位置并让它保持对准岩石目标的稳定性。受火星车能够提供的电源和稳定性的限制,RAT具有钻力不大但是转速很高的特征。这和牙医使用的涡轮牙钻有点儿像。RAT只需要11瓦的电源功率就能够在火星岩石上钻磨出小洞。总的功耗小于30瓦,比一个照明灯泡还省电。
RAT的钻头由旋转的轮系和钻头构成,钻头的旋转在岩石上磨出浅的圆柱形小洞。它采用金钢钻矩形轮刮除岩石的表层,一次1毫米,总深度5毫米,直径45毫米。在刮除动作的同时,一个电动小刷子清理岩石的表面,以便让光谱仪进行岩石的分析和考察。另外一个转动的矩形刷子辅助清理工作。在底部有4个圆柱形磁铁。因为火星表面覆盖的灰尘层往往具有较强的磁性,磁铁可以用于收集这些颗粒,然后利用能够以超近距离拍摄岩石和灰尘照片的显微照相机及光谱仪进行分析。
污染极小化的设计
RAT的机械结构也非常紧凑,它有3个传动装置。一个传动装置驱动两个研磨轮高速转动。这两个研磨轮都有2个磨牙,利用每一个磨牙头作为钻头切割出圆形区域。第二个传动装置使2个磨轮以慢得多的速度旋转清扫2个直径4.5厘米的圆形切割区。第3个传动装置称为Z-轴传动装置,它使整个切割头面朝岩石深入到指令安排的岩石深度。研磨岩石时,IDD 机械臂将RAT对准目标岩石。磨头外部的两个小钉子和岩石接触以后就不再脱开,直到完成研磨任务。围绕磨头的环圈可以按与岩石表面方向垂直的2个垂直轴调整。当RAT紧紧接触岩石以后,所有传动装置的动作由 RAT自身完成。磨轮的旋转开始,通过Z-轴传动装置慢慢向岩石移动,直到紧密接触。解码器监控移动进程。
磨轮的运动属于闭环控制。切割表面的尘罩防止岩尘扩散污染仪器。RAT 的设计要求尽可能完整保留岩石表面的岩石学纹理,以便探测器可以有效观察。研磨过程缓慢的原因是防止研磨过程摩擦产生的热量改变岩石的化学和矿物学构成。磨轮的设计要求切割岩石暴露表面的污染极小化。磨轮的材料经过精心选择,磨轮头自身的磨损对于岩石表面不会产生污染。每一个传动装置都有解码器,提供有关位置的精确信息。在RAT工作过程中,通过解码器联接的传感器,火星车监控RAT所有3个传动装置马达的电流、温度以及解码器读数。从这些数据可以得出有关被研磨岩石的强度属性的信息。全部数据传送到火星漫游车的中央计算机,由解码翻译软件进行翻译,然后向地球发送。例如,从返回的位置反馈信息可以了解RAT 钻入的深度。火星岩石硬度信息也是以前的探索没有得到过的。
研制RAT的科学家说:"我们的口号是测试、测试、再测试"。过去是这样,今后也是这样。测试是对思想、技术、算法、理论的检验和修正。RAT 的测试需要许多环境,真空室环境是为了模拟火星稀薄的大气,RAT在美国航宇局艾姆斯研究中心风洞里进行测试是为了模拟火星的大风。勇气号和机遇号在整个探索过程中要多次研磨岩石,由于火星上岩石的硬度和亮度并不相同。对不同硬度的岩石RAT施加的压力也应该有所不同,IDD寻找和对准岩石需要岩石的亮度数据。实际上,RAT不是只有一个机器人,它拥有多个伺服机器人。RAT的硬件不简单,但是它的控制软件更加复杂,而且是虚拟不可见的。