深度揭秘好奇號火星車搭載的科學儀器
2021-11-29 14:22:41|
來源：網絡 作者：
激光誘導擊穿光譜儀器研發(fā)在火星探測應用中的巨大技術挑戰(zhàn)。 好奇號火星車在成功抵達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。 該科研項目使用ChemCam化學與照相機科學儀器來實現目標物的可視化，火星車桅桿裝載的ChemCam由一個激光誘導擊穿光譜儀（LIBS）和一個高分辨率成像儀組成。ChemCam是首個LIBS技術在行星科學中的應用實例，并且已經成功發(fā)出過激光并分析好奇號周圍選中的火星巖石。
好奇號火星車的桅桿豎起，頂部裝載ChemCam
雖然LIBS的原理相對較簡單明了，但考慮到好奇號火星車所工作的特殊環(huán)境要求，實際應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Thales Optronics公司研發(fā)制造。據該公司項目經理Eric Durand 介紹，早在2001年，ChemCam配件供應商之一法國國家空間研究中心（CNES）在首次和Thales Optronics 溝通時就提出，Thales的產品Diva半導體泵浦固體激光器的光學性能很適合火星LIBS勘探應用，但是需要縮小體積和重量以適應航天環(huán)境的嚴苛要求。 Diva激光器原來設計為在常溫下工作，設備需要改進為能在無主動冷卻系統的條件下，在溫差為60度的環(huán)境溫度下運作。對重量的要求更加苛刻：Diva激光器原來有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技術的實際應用原理圖
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量。另外，由一個振蕩器加上兩個板條放大器的系統也被應用于設計之中。但是以上兩點需要系統有更強的傳導冷卻能力。 原來的Nd:YAG激光介質被替換成了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具有極小的吸收率波動，從而可以實現二極管和激光棒的傳導冷卻，以便在大溫差的火星環(huán)境中工作。 研發(fā)團隊同時改進了Q開關系統，原來的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開關系統，就只需要1千伏特供電并且可在要求的大溫差范圍內工作。 令人振奮的是，早在2003年當ChemCam被正式確認為好奇號火星探測組件時，THALES就研制出了在實驗環(huán)境中運作良好的光學組件。并在接下來的4年中構建6組不同的模型來研究系統參數，并于2007年交付用于最終飛行設備。 據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：一個輸出24毫焦以上脈沖能量、8納秒以內脈寬、1067納米波長的激光光源，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機身內還包含有CCD相機和光譜儀電子元件，分別安裝在好奇號火星車的桅桿上，通過光纜接受激光激發(fā)產生的等離子光束。
