数学建模火星探测器论文

数学建模火星探测器论文

　火星，因其荧荧如火，亮度经常变化，位置也不固定，我国古人将火星取名为“荧惑”；古巴比伦人称“尼嘎”（刚烈英雄）；古埃及人称“哈·底契” （红色亮星）。在古希腊和古罗马的神话中，火星是宙斯和赫拉的儿子，他司职战争，形象英俊，勇猛顽强，喜欢打仗，是力量与权力的象徵，是好斗与屠杀的战神。古希腊人称火星为“阿瑞斯”（战神）。
　　火星有两个平均直径十几千米的小卫星，就是以阿瑞斯的两个儿子——福波斯和德瑞斯命名的；古罗马人称火星为“玛尔斯”，是身披盔甲浑身是血的战神，火星的符号是♂。Mars之名和火星符号被国际沿用至今。
　　1609年，意大利科学家伽利略第一次用望远镜观察火星，开创了人类用科学仪器观测火星之先河。1666年，G.卡西尼 通过望远镜观察火星并确定了其转动周期，计算火星的日长是24小时40分钟。1672年，惠更斯第一次发现在火星的南极有一个白点，可能是极冠，并第一次提出了可能存在地外生命的猜想。1777－1783年，英国天文学家W.赫歇尔用自己发明的望远镜研究了火星，并错误地认为火星上黑暗的地方是海洋，明亮的地方是陆地，还认为所有的星球都居住有生命。他还预言，也许火星居民也享受着与我们类似的环境。
　　1877年米兰天文台台长亚帕雷利斯基观测火星之后，宣布他看到了火星上的“cannali”，原意是道路却被错译为“运河”，后来演绎出火星上有运河就有开凿和利用运河的火星人和兴盛的农业。19世纪末，开始了火星运河的狂热研究，大量有关 “火星人”、“火星人袭击地球”、“大战火星人”等小说和电影应运而生。1905年，美国的厄尔火星观察台，拍摄到火星38条“运河”的照片。
　　已知的火星
　　太阳系的八大行星，按照距离太阳由近及远的次序依次是：水星、金星、地球和火星，由于它们体积较小，密度较大，具有固体的岩石表面，被称为类地行星或内行星；火星之外是木星、土星、天王星和海王星四个巨行星，也叫类木行星。
　　火星的平均赤道半径为3393千米，仅为地球的53%；火星的质量是地球质量的10.74%；火星绕太阳的公转的运行轨道呈椭圆形，周期为687天，即1.88个地球年；火星的自转情况跟地球相似，自转方向跟地球相同，自转周期也就是火星一天的时间为24.63小时；火星的自转轴是倾斜的，倾角为25.19。，因此火星上也有四季变化，但每个季节大约比地球季节要长一倍。
　　火星与太阳的距离比地球远，平均距离约为2.28 亿千米（地球约1.5亿千米），火星表面的年平均温度为-57。C,表面昼夜温度变化于20℃到一139℃之间，火星比地球寒冷，昼夜温差比地球大。
　　火星表面的重力加速度是3.72米/秒2，逃逸速度5.0米/秒，而地球分别是9.75米/秒2和11.2米/秒；因此火星的引力场较弱，大气比较稀疏容易逃逸，平均表面气压仅700帕，不到地球海平面气压的1%。火星大气的主要成分是CO2（占95.3%），其次是N2（占2.7%）。火星由于大气稀薄，风速很大，风在火星表面肆虐，形成了广泛分布的活动沙丘和沙漠。火星上经常发生台风和龙卷风。当风速达到50～100米/秒时，100微米的尘沙被吹到大气中，形成区域性尘暴。每个火星年约发生上百次区域性尘暴，几个区域性尘暴偶然联合起来，把大量尘沙卷到30千米的高空，发展成全球性大尘暴，可持续几个星期。
　　火星的地形明显地不对称，南半球的地势比北半球高。火星表面的2/3都是古老的、撞击坑非常密集的地形。南半球分布有无数网络状的河谷系统，它们看上去象是被流水切割形成的，太阳系最长、最大的水手大峡谷，长3000多千米，宽600千米、深约8千米；而地球上美国亚利桑那州的“大峡谷”，其长度仅 800千米、宽30千米、深1.8千米。火星给人印象最深刻的面貌是巨大的盾状火山，例如奥林匹克火山就是一个庞然大物，直径达550千米，山峰高27.4千米，是太阳系最高的山峰。火星的北半球似乎曾经是辽阔的大洋盆地，是“河流”汇集的“海洋”。火星是一个寒冷的、干燥的荒漠世界。
　　寻找生命迹象
　　自1961年以来，美国和前苏联在火星探测上展开了一场激烈的竞争。
　　2003年，欧空局开始发射“火星快车”探测火星，迄今为止对火星实施了42次探测，探测方式实现了对火星的飞越、环绕、软着陆、火星车巡视和现场分析样品，突破了一系列关键技术，大大提高了人类对太阳系探测的能力，获得了对火星深入系统的科学认识。火星探测的科学问题主要集中在探测火星生命活动的信息，探测与研究火星的演化，以及与类地行星的比较研究和探讨火星的长期改造与今后大量移民建立人类第二个栖息地的前景，为人类社会的持续发展服务。
　　火星探测的首要任务是探测火星生命活动的信息。通过大量火星轨道环绕探测器的探测，特别是美国在1975年发射的海盗1号和海盗2号着陆器和2007年发射的凤凰号着陆器，在火星表面开展了一系列生命活动信息的探测与生命科学实验，证明当今火星表面没有任何生命活动的迹象。
　　正当人们对火星生命的探测怀着绝望之际，却在火星大气层中发现了含有微量的水蒸气和甲烷，又重新点燃了探测火星生命的希望。凡有生命的活动必定会释放甲烷，大气层中的甲烷可能表证火星有最低等生命的活动。地球上广泛分布的天然气藏（主要成分是甲烷），绝大部分也是生物成因；但是，在大庆等地也发现一些天然气藏是由非生物过程形成的。因此，关键问题是要科学判别火星大气中的甲烷是生物成因，还是非生物成因？由于火星大气中甲烷的含量仅有30ppt（1ppt是1万亿分之一），当今火星探测卫星的同位素质谱仪还不具备测定甲烷等化合物碳同位素的技术能力，只能在技术取得突破后才有可能予以回答。
　　1984年在南极阿连山地区找到了一块火星陨石ALH84001。美国的科学家将陨石切片在电子显微镜下观察，发现陨石中有大量密密麻麻分布的微体生物 “化石”——细菌。微体生物的截面大约只有1%头发丝大小。经测定，ALH 84001的形成年龄为36亿年，表明36亿年前，火星曾繁衍过最低等的生命——细菌。当时，地球发育的生物水平也是最低等的微体生物——细菌。问题引发了更大范围的科学争论：既然火星的生物“化石”现在可以带到地球上来，在更远古的时代，火星的生命物质也可以随陨石带到地球上来，说不定地球的生命是火星生命的后代。当然也完全可以相反，地球的生命物质也可以随地球陨石带到火星上去，火星的生命却是地球生命的后代。也许地球和火星都曾各自发育过生命。由于火星环境恶劣，生命被夭折了，而地球的生命得以演化繁衍。ALH84001经过全世界科学家的精细研究，有一派科学家列举大量事实证明，这些“化石”并不是生命物质的化石，而是自然过程形成的特殊结构，是典型的非生物成因。火星是否曾经有过生命仍然是一个谜。
　　希望依然存在
　　火星现在没有任何生命活动的信息。火星过去可能发育过生命，火星的演化历史的确存在过气候适宜于生命产生与生存的环境。大量的探测成果表明，火星表面存在大量的古河道体系和水流动痕迹。生命产生与演化的必要条件之一是必须有水的存在，而火星上曾经有过大量的水体活动，无疑给火星上曾经有过生命物质的观点提供了有利的证据。要确证火星曾经存在过生命，必须找到火星表面的沉积岩并在沉积岩中发现火星的生物化石。
　　火星现在是不是具备生命存在与繁衍的条件与环境？
　　根据海底黑烟囱、极地冰盖下、盐湖淤泥和炎热沙漠等极端环境下各种生命形态的发现与研究，表明火星表面的环境依然具备生命繁衍的条件。由于火星表面是干枯的，没有水体的活动，而大量的事实证明火星的水体埋藏在地下。探测火星地下水的埋藏位置，有可能发现火星的低等生命形态。
　　火星生命的探测依然是任重而道远！

在火星上建立文明有多容易？

提到火星，它显然已经成为了目前人类最感兴趣的星球之一，因为它还有一个非常吸引人的身份，那就是未来极有可能成为人类的“第二家园”。早在多年前，马斯克就提出过一项“火星移民”计划，准备送人类去往火星，那么，究竟需要多少人，才可以在火星上建立人类文明呢？这个问题，一名来自法国的科学家给出了答案。

只需110人就可以建立“火星文明”？

据报道，日前一名来自于法国的科学家，在通过数学建模，在将火星上的环境数据、人类的生存所需要的基础指标数据等一一进行计算之后，最终表示，首批火星移民者在火星上的气候环境已经被改造，变成适合人类居住的情况下，只需要110人，就可以让人类文明在火星上延续下去。

这名科学家认为，在这110人抵达火星之前，需要先在火星上建造一个庞大的，里面充满氧气的的穹顶建筑，并且在里面安装供给人类居住的温室，以及种植上植物。食物资源方面，前期可以从地球上运往火星，不过后期伴随着他们在火星上拓荒，就可以慢慢减少，一直到他们可以完全的自给自足。

不过，研究者也指出，如果这110人想要在火星上世代延续下去，他们之间懂得合作共享才是最重要的，否则如果大家分裂成小团体，可能就没有办法担任起延续人类文明的重任，伴随着时间的推移，或许就会在火星上孤独的死掉。

为了人类要移民火星？

看到这里，可能会有朋友好奇，人类为何一定要进行火星移民呢？既然并没有十足的把握一定会成功，为何不选择永远留在地球？其实，这里最主要的原因就是，地球并不会永远成为人类的家园，如果人类想要在宇宙中永存，就需要每隔一段时间，就为自己找到一个新的家园，而从人类目前的实力来看，火星则是最靠谱的那一个。

首先，火星和地球一样，都处于太阳系的宜居带之中，通过探测器传回的数据，在火星早期，它可能也曾经拥有过一段舒适的宜居时期，这就意味着，火星如果加以改造后，是完全有希望重焕生机的。

其次，人类的速度、寿命等都成为了人类的“枷锁”，让人类短时间内没有办法飞离太阳系，而地球上的资源也开始逐渐走向枯竭，在地球不再适合我们之前，我们需要做的，就是为自己找到一个新的家园。

「技术文章」“毅力”号火星探测器上的传感器MEDLI2

“毅力”号火星车上的MEDLI2传感器包不仅为未来的任务收集数据；它还展示了如何在太空中使用商用现成部件。

上周，美国宇航局成功地将“坚持”号火星车降落在火星的杰泽罗陨石坑。

因为美国宇航局这次任务的主要目标是获取有关火星大气条件、地貌和微生物生命的未知数据，例如，美国宇航局为火星车配备了一系列传感器，其中许多是现成的商业部件。

“毅力”号防热罩上的一套传感器被称为MEDLI2设计用于测量月球车的进入、下降和着陆（EDL），以更好地协助未来的任务 .

我们最近讨论了从远处为“毅力”号火星车提供动力的设计挑战. 但是，飞行传感器在太空旅行和着陆过程中也遇到了自己的挑战。

在太空中，传感器需要在极端温度波动、随机振动、冲击、真空和电离辐射中生存。由于这些原因，专门为航天器制造的部件必须通过执行适用的环境试验进行测试和鉴定。

惯性测量装置（IMU）、陀螺仪、磁强计、热电偶和压力传感器是深空探测器中常用的传感器。美国航天局的工程师必须进行广泛的环境和生命周期测试，以验证其在空间环境中的可靠性和耐用性。通常，系统的设计也是保守的，有安全裕度和备用/冗余单元，以提高可靠性并将风险降至最低。

设计和制造太空级航空电子设备与商业产品有着显著的不同。例如，印刷电路板不能在真空中使用纯锡基焊料，这可能会导致灾难性的机械应力。此外，锡基焊料可能会产生“锡须”，这是导电的，并可能导致电弧。一旦有效载荷发射后，如果没有能力更换多氯联苯，锡须在航天器中尤其危险。

不过，美国航天局仍然能够在MEDLI2中使用一些商业部件，而不会产生任何后果。

MEDLI2是美国宇航局的第二个版本的进入、下降和着陆仪器。该仪器包包括三种类型的传感器，位于后壳体和恒力隔热板上，包括17个压力传感器、17个热塞和3个热流传感器。其目的是获得EDL期间关键空气动力学、气动热力学和热防护系统（TPS）性能参数的数据。

之前在MSL任务期间，最初的梅德利没有测量后壳的热通量，所以这个阶段的飞行数据是这个新任务的许多第一。新MEDLI可收集以下方面的数据：

这些数据将允许研究人员将飞行数据与预测数据进行比较，并更新分析模型。

热流传感器易受高机械应力和热应力的影响，严重影响其功能。MEDLI2测试了商用热通量计精确性和生存能力。传感器套件的候选产品包括Gardon gauges、thermopile和Schmidt-Boelter仪表。

美国航天局对每个仪表的功能和生态影响进行了台架试验（气动热负荷环境试验）。工程师们最终选择施密特-波尔特压力计是因为它们在测试中的性能。

高超音速滞止压力是使用压力传感器测量的，范围为0-35000 Pa，跨越整个试验周期，包括峰值动态压力环境。

MEDLI的一个关键发现是，在超音速飞行期间，高超音速压力传感器在较低压力下无法提供足够的精度。因此，在MEDLI2中，有必要包括一套单独的超声波传感器，其精度在0–7000 Pa范围内。另一个700帕的压力传感器位于另一个低气压传感器上。

上周“毅力”号登场时，MEDLI2号的表现如何？美国航天局报告说，探测器成功地显示了进入火星大气层时的加热和压力动态。MEDLI2在航天器达到峰值加热（高达1300 C）和峰值压力后继续收集数据。在进入的最后100秒，飞行器仍处于超音速飞行阶段。

然后，根据风速，MEDLI2压力传感器收集有关方向和车辆性能的数据。MEDLI2还使用了许多其他传感器，根据过去任务中丢失的细节获取更多相关数据。美国航天局希望从这次任务中获得的见解将最终推动载人火星飞行任务的设计。

JPL（喷气推进实验室）最近表示，一些高清摄像机在这次任务中使用的是商用现货（COTS）零件这为商业传感器在未来任务中的应用开辟了可能性。在未来的其他项目中，NASA也有可能平衡抗辐射和COTS组件。

为何说只需要110个人就可以在火星表面建立基地？

宇宙浩瀚无边，人类想要实现星际穿越的梦想还需要更加强大的技术支持，而目前我们的大部分精力都放在太阳系之内，火星是人类渴望征服的重点目标。

除了探索火星是否具备孕育生命的条件之外，科学家还试图在此播撒地球生命的种子，建设火星基地也将成为未来的发展计划之一。

根据最新研究，人类如果想要在火星表面建立太空基地，至少需要组建一个110人的队伍，才能够维持整个系统的运作，从而帮助人们在短时间内拥有全面的支持。

参与相关研究的科学家表示，这110人并不是普通的人员，而是经过专业培训并且具备大量专业知识的科技人员，他们能够在有限的条件下尽可能发挥自身的优势，为火星基地的建设提供更多动力。

同时，科学家认为超过这个基数的话，其实并不利于人类在火星进行的基础建设，因为发射一艘载人航天飞船就需要耗费大量的人力物力，加上宇航员们需要携带足够的物资，多一个人就意味着多一份消耗。

而110人如果能够进行合理的分工，完全能够组成一个小型社会，从而更好地在火星表面进行相关实验，为人类后期的移民打下坚实的基础。

这是科学家利用计算机进行数学建模得到的结果，人类文明想要在火星上立足，就需要这个小型社会首先进行建设。相对于先进的人工智能配合，人与人之间的关系虽然复杂，但是仍能够发挥最有效的作用。

还有一部分科学家表示，尽管火星表面只有5%的大气，这里的生存条件也十分恶劣，但是人类借助于科学技术还是可以创造长期生存下去的机会，火星基地就是最基础的保障。

长久以来，我们对移民其他星球的设想从未停止，人类对火星的探索也在不断深入，我国发射的火星探测器正在路上，相信它很快就能够带来丰富的信息。

人类文明的发展是一个漫长的过程，科技是最有力的工具之一，如果我们能够团结一心，或许能够更快找到合适的发展之路。

寻找火星生命，前往耶泽洛陨石坑，火星2020探测器是认真的

耶泽洛陨石坑和河流三角洲。（美国国家航空航天局/喷气推进实验室/约翰霍普金斯大学应用物理实验室/毛伊岛空间监视站/布朗大学

早在2018年11月，美国航天局就宣布火星2020探测器将在耶泽洛陨石坑着陆。耶泽洛陨石坑地区地质多样，汇入河流带来的沉积物在此形成了冲积扇。这些沉积物在陨石坑的卫星图像中能很清楚地被看到，里面有可能含有被保存下来的古代有机分子。

但陨石坑里还有一些让科学家们感兴趣的东西，这些东西在可见光图像中看不太清楚：一个由碳酸盐组成的“浴缸圈”，科学家们认为它可以保存化石。

火星2020探测器给我们对火星宜居性的科学研究加大了筹码。当勇气号和机遇号前往火星时，他们的任务是寻找水在过去或现在存在的证据。他们做到了。

当火星科学实验室（又名：“好奇号”火星车）前往火星时，它的任务是评估火星在过去和现在的宜居性。而现在，还未实际命名的火星2020探测器有着最艰巨的任务：寻找过去微生物存在的迹象；或者简单地说：去寻找化石。

计划着陆区（美国国家航空航天局/加州理工学院喷气推进实验室/毛伊岛空间监视站/约翰霍普金斯大学应用物理实验室/欧洲航天局）

选择耶泽洛陨石坑作为着陆区有几个原因：它很古老—是一个约35亿年前的湖的遗址；它含有同样古老的地貌，包括河流三角洲；它还含有碳酸盐形成的所谓的“浴缸圈”。

在地球上，碳酸盐形成的化石结构历时长久、可以持续数十亿年；包括贝壳、珊瑚、和叠层石。既然耶泽洛陨石坑曾是一片水域，科学家认为有必要研究耶泽洛陨石坑边缘的碳酸盐圈、看看那里是否有化石。

如果你对此仍心存怀疑、犹豫不决，请记住，选择耶泽洛陨石坑，以及在火星上寻找化石生命，是建立在多年的严谨科学基础上的。没人知道我们会在那个富含碳酸盐的陨石坑边缘找到什么，但经验证据表明我们该从这里找起。

耶泽洛陨石坑的位置，紫色为低海拔，红色为高海拔。（美国宇航局/喷气推进实验室/美国地质勘探局）

一篇发表在《伊卡洛斯》（ Icarus）杂志上的论文详细介绍了耶泽洛陨石坑的矿物多样性，包括边缘的碳酸盐沉积物。

这篇论文的题目是：“耶泽洛陨石坑的矿物多样性：火星上可能存在湖泊碳酸盐的证据”。请注意，“湖泊的（lacustrine）”一词的意思是“与湖泊有关的或与之有联系的”

美国宇航局的火星勘测轨道器探测器（MRO）用CRISM（火星专用小型侦察影像频谱仪）仪器发现了这些碳酸盐。CRISM专用于寻找与水相关的矿物；其图像显示，耶泽洛陨石坑的边缘有明显的碳酸盐。

CRISM图像中的耶泽洛陨石坑，绿色表示碳酸盐。（美国航天局/加州理工学院喷气推进实验室/毛伊岛空间监视站/约翰霍普金斯大学应用物理实验室//普渡大学/美国地质勘探局）

该杂志的主要作者、位于印第安纳州西拉斐特的普渡大学的布里奥妮·霍根说：“CRISM很多年前就在这里发现了碳酸盐，但我们才注意到它们在应是湖泊边缘的集中程度。”

“在整个任务期间，我们在许多地方都会遇到碳酸盐沉积物，但浴缸圈会是最令人兴奋的参观地点之一。”

在地球上，一些最古老的化石是叠层石。叠层石是由蓝藻层形成的层状结构；它们可以追溯到35亿年前。

如果火星在其遥远的过去的确维系过生命，那么它可能有自己的叠层石。假如事实确实如此，那围绕耶泽洛陨石坑的古湖碳酸盐圈会是寻找它们的好地方。

领导2020年火星项目的是位于加利福尼亚州帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室，副项目科学家肯·威利福（Ken Williford）德说：“在我们选择耶泽洛陨石坑作为着陆点的因素中，其中最令人兴奋的原因之一就是‘边缘碳酸盐’形成于湖泊环境中的这个可能性。古老湖岸的碳酸盐化学是保存古代生命和气候的记录的绝佳配方。”

“我们迫不及待地想去到表面，去发现这些碳酸盐是如何形成的。”

如果碳酸盐是在湖边形成，那么它们很可能形成于火星的诺亚纪时期。诺亚纪是火星的第一个纪元，结束于大约35亿年前。

科学家认为在那时火星气候相对湿润，大气中富含二氧化碳。碳酸盐通过岩石、水、和二氧化碳相互作用形成。

碳酸盐还能告诉我们更多；它们包含了火星气候变化的地质记录。

既然它们的形成是通过二氧化碳、水、和岩石之间的相互作用，那它们的形成可以记录火星上气候随时间发生的微妙变化。它们可以帮助我们讲述火星是如何从一个有着厚厚大气层的古老潮湿星球演变为今天寒冷干燥的沙漠的。

科学家们还在耶泽洛陨石坑的三角洲边缘发现了富含水合二氧化硅的沉积物。就像碳酸盐一样，水合二氧化硅也有可能保存化石。

如果水合二氧化硅沉积物位于三角洲底部，那么它也可能是寻找化石（特别被埋藏的微生物化石）的绝佳场所。一篇详述水合二氧化硅沉积物的论文在美国地球物理学会（AGU）期刊上发表。

在耶泽洛陨石坑的碳酸盐沉积物并不都一致均匀。它们分布在不同的地区、不同的高度，具有不同的地形特征和光谱特征。而最重要的区域也许就是所谓的边缘碳酸盐。

它们显示出最强烈和最清晰的碳酸盐特征，并且它们位于陨石坑的西部内边缘。边缘碳酸盐岩的边缘有时与地形和外观的变化一致。科学家们急于弄清楚这一切意味着什么。

边缘碳酸盐的轮廓为红色。（美国宇航局/火星勘测轨道飞行器/霍根等2019年）

当然，这只能通过火星2020探测器的现场测定来完成。探测器将于2021年2月18日到达耶泽洛陨石坑；一旦到了那里，这么多人的辛苦努力就会开始有回报。

地球上有一些地方（通常在高山上），海贝化石会从岩石中冒出来，任何路人都能轻易看到。他们出现的位置引起了像达芬奇之类的早期的思想家对圣经中洪水故事的质疑。

如果火星真有化石的话，它不太可能轻易丢弃。但是，思考一下我们自己对化石的认识，以及这些知识是如何随着时间的推移而增长的，也引起人们关于我们会在火星上发现什么、以及这一发现将会如何塑造我们的信念的想象。

作者: EVAN GOUGH, UNIVERSE TODAY

FY: 绿土

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