深度揭秘好奇號(hào)火星車搭載的科學(xué)儀器
2021-11-29 14:22:41|
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò) 作者：
激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀器研發(fā)在火星探測(cè)應(yīng)用中的巨大技術(shù)挑戰(zhàn)。 好奇號(hào)火星車在成功抵達(dá)火星并完成一系列著陸步驟后，開始了為期兩年的火星表面勘探的科研工作。 該科研項(xiàng)目使用ChemCam化學(xué)與照相機(jī)科學(xué)儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的可視化，火星車桅桿裝載的ChemCam由一個(gè)激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀（LIBS）和一個(gè)高分辨率成像儀組成。ChemCam是首個(gè)LIBS技術(shù)在行星科學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例，并且已經(jīng)成功發(fā)出過激光并分析好奇號(hào)周圍選中的火星巖石。
好奇號(hào)火星車的桅桿豎起，頂部裝載ChemCam
雖然LIBS的原理相對(duì)較簡(jiǎn)單明了，但考慮到好奇號(hào)火星車所工作的特殊環(huán)境要求，實(shí)際應(yīng)用方面面臨著重重挑戰(zhàn)。 更小，更輕便的激光器 ChemCam中的激光器由法國(guó)Thales Optronics公司研發(fā)制造。據(jù)該公司項(xiàng)目經(jīng)理Eric Durand 介紹，早在2001年，ChemCam配件供應(yīng)商之一法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）在首次和Thales Optronics 溝通時(shí)就提出，Thales的產(chǎn)品Diva半導(dǎo)體泵浦固體激光器的光學(xué)性能很適合火星LIBS勘探應(yīng)用，但是需要縮小體積和重量以適應(yīng)航天環(huán)境的嚴(yán)苛要求。 Diva激光器原來(lái)設(shè)計(jì)為在常溫下工作，設(shè)備需要改進(jìn)為能在無(wú)主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的條件下，在溫差為60度的環(huán)境溫度下運(yùn)作。對(duì)重量的要求更加苛刻：Diva激光器原來(lái)有10公斤重，CNES要求Thales研發(fā)出重量只有500克的激光器，并且要求該激光器能夠順利通過火星之旅。LIBS技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用原理圖
在解決方案中，所有的溫控組件都被去除掉了，以減小整體的體積與質(zhì)量。另外，由一個(gè)振蕩器加上兩個(gè)板條放大器的系統(tǒng)也被應(yīng)用于設(shè)計(jì)之中。但是以上兩點(diǎn)需要系統(tǒng)有更強(qiáng)的傳導(dǎo)冷卻能力。 原來(lái)的Nd:YAG激光介質(zhì)被替換成了Nd:KGW晶體棒或者摻釹鎢酸鉀釓晶體，并由700瓦二極管堆棧縱向泵浦。Nd:KGW晶體棒的寬光譜吸收特性使其在大溫差范圍內(nèi)具有極小的吸收率波動(dòng)，從而可以實(shí)現(xiàn)二極管和激光棒的傳導(dǎo)冷卻，以便在大溫差的火星環(huán)境中工作。 研發(fā)團(tuán)隊(duì)同時(shí)改進(jìn)了Q開關(guān)系統(tǒng)，原來(lái)的4千伏特供電不太適合用于其它行星，通過改用基于RTP（磷酸鈦氧銣）普克爾盒的Q開關(guān)系統(tǒng)，就只需要1千伏特供電并且可在要求的大溫差范圍內(nèi)工作。 令人振奮的是，早在2003年當(dāng)ChemCam被正式確認(rèn)為好奇號(hào)火星探測(cè)組件時(shí)，THALES就研制出了在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中運(yùn)作良好的光學(xué)組件。并在接下來(lái)的4年中構(gòu)建6組不同的模型來(lái)研究系統(tǒng)參數(shù)，并于2007年交付用于最終飛行設(shè)備。 據(jù)Durand介紹，他們幾乎完全重新改造了激光器，挑戰(zhàn)比較大，開始時(shí)并沒有足夠的信心，但是他們最終成功改造了滿足如下工作要求的激光器：一個(gè)輸出24毫焦以上脈沖能量、8納秒以內(nèi)脈寬、1067納米波長(zhǎng)的激光光源，并且它的理想工作溫度為-20到+20攝氏度。 三重光譜分析儀 ChemCam機(jī)身內(nèi)還包含有CCD相機(jī)和光譜儀電子元件，分別安裝在好奇號(hào)火星車的桅桿上，通過光纜接受激光激發(fā)產(chǎn)生的等離子光束。
