电化学显微镜分析论文

[摘要]材料力学性能是材料学科的主干课程，如何基于“专创融合”进行课程建设和实践是本文研究的内容。科学和完善的教学团队、实验设备、网络教学平台、实践基地、科研项目支撑等资源是课程建设和实践的基础，而课程建设与实践的具体举措主要有课程教学方法与手段改革、教材及案例建设、课外学习要求及保障措施，以及考核内容和考核方式多元化。今天小编给大家找来了《电化学显微镜分析论文(精选3篇)》的文章，希望能够很好的帮助到大家，谢谢大家对小编的支持和鼓励。

电化学显微镜分析论文 篇1：

“凤凰”号“七种武器”揭秘

NASA发射的这颗“凤凰”号火星探测器，质量为350千克，直径1.5米，高约2.2米，其中心是一个多面体仪器舱，仪器舱左右两侧各展开一面正八边形太阳能电池阵，跨度达5.52米。它与“火星极地着陆器”相比，最大的变化是提高了太阳能电池的性能。与“机遇”号及“勇气”号的滚轮移动所不同，“凤凰”号的移动是由很独特的三条机械手臂来爬行，而这三条手臂支撑又组成了一个平台，平台上则是实验仪器。

为了完成火星北极“探冰”和监测火星极地气候两大任务，“凤凰”号的着陆系统质量比NASA其它火星探测器的都要轻，“凤凰”号整个发射质量达680千克，而随身配备的科研仪器则达到了55千克。此外，“凤凰”号的整个科研系统由七种科学探测仪器组成，将由它们对对火星进行全面探测。

你别看组成整个科研系统的七种科学探测仪器总共才55千克，那可是各有各的“独门绝招”，因此人们也将他们称为“七种武器”。下面就为大家一一揭开“七种武器”的神秘面纱：

“七种武器”之一 机械臂

机械臂（Robotic Arm，RA）是“凤凰”号探测器上最重要的“武器”，虽说其设计方案采用了“火星极地着陆器”的机械臂，但是却改进和增加了“掘地”采集功能——采集冰块。这机械臂非一般材料所制，乃铝和钛两种材料制成，一端固定在平台上，臂长2.35米，机械臂中间有1个关节，末端装有锯齿形刀片和波纹状尖锥，整个机械臂有6个自由度，能够自由地上下、左右、前后和旋转运动，工作起来像一台反铲挖土机，能在坚硬的极区冻土表面挖掘出约0.5米的深坑。当然着陆点处的地下冰冻层应该没那么深，机械臂一旦挖到冰冻层，就自动驱动锉刀采集火星土壤样品。

机械臂还可为装在臂上的相机调整指向，引导测量热与电传导性的探测器插入土壤，用手臂前端的小铲子挖出土壤和冰块后，将其送入着陆器搭载的“显微镜电化学与传导性分析仪”和“热量与析出气体分析仪”中进行详细的化学与地质分析，检测是否存在有机物质成分。

由于机械臂将直接与可能有微生物存活的火星冰冻土壤接触，为了避免将地面生命带到火星，科学家们采取了非常严密的防范措施：机械臂一直存放在能屏蔽生物污染的包装内，2007年3月再次进行了高温灭菌处理，发射前一直在包装内屏蔽生物污染，直到“凤凰”号登陆火星后才打开包装。

“七种武器”之二 机械臂相机

机械臂相机（Robotic Arm Camera，RAC），它由亚利桑那大学和德国Max Planck Institute建造，固定在机械臂末端的铲子上方，可以近距离精细拍摄机械臂采集的土壤和冰块样品获取高分辨率彩色图像，可以观察新挖坑道外露土层情况和土壁特征，分析土壤颗粒的类型和大小。

这相机也非一般相机，而是采用CCD成像，马达变焦，微距为11毫米，分辨率为23微米，能够照出头发丝大小物品的细节。如果光线太暗，相机还可以启动红、绿、蓝三色发光二极管（LED）进行照明。就在飞往火星的途中，“凤凰”号传回了第一批照片儿，这批照片是机械臂还在包装内，机械臂相机启动红、绿、蓝三色发光二极管照明进行拍照而得到的图片，我们可以看到，在屏蔽得如此严实近乎黑暗和接近真空的包装内能得到这样清晰的图片，可以想象一下，机械臂相机的科技含量之高。

“七种武器”之三 表面立体成像仪

表面立体成像仪（Surface Stereo Imager，SSI）是“凤凰”号的两只“眼睛”，有两架照相机，两者间距也跟人眼相当，分辨率也和人眼相当，能够记录从着陆器顶部向周围看去的三维全景信息，帮助地面控制人员选择挖掘地点和操作机械手臂。每只“眼睛”都有12种不同的滤光器可供选择，因此成像仪除了能生成彩色图象以外，还能生成特定的可见光频率图象和红外频率图象，这对于解析地质特征和大气特性很有帮助。

这架双镜头照相机能够从火星地面2米高处360度自由拍摄，还可以向上观察火星大气中漂浮的灰尘和水汽。当机械臂采回土壤和冰块样本后，表面立体成像仪可以向下检查样品；如果观察“凤凰”号的平台和太阳能电池板，工程人员则可以了解灰尘积累的状况，对于推测火星空气流动很有科学价值，对于灰尘给太阳能电池板带来的风险也很有工程价值。

“七种武器”之四 热量与析出气体分析仪

热量与析出气体分析仪（Thermal and Evolved Gas Analyzer，TEGA）可以研究机械臂采回的样品加热气化后生成的物质，能够对土壤样品的吸热和散热过程观测进行记录，并对加热后释放出的挥发物进行分析。

分析仪有8个微型样品烤箱，长约1厘米，直径2毫米，每个烤箱都只能使用一次。分析开始时样品通过筛子过滤后滑落进入烤箱，一旦光束探测传感器检测到烤箱装满样品，烤箱就自动关闭。实验过程中，烤箱逐渐加热，温度最高能达到1000摄氏度。样品中的水和其它挥发性成分变为气体进入质谱仪。

实验过程中，分析仪能够提供两种类型的数据。

一种是微分扫描热量计监测获取的样品恒定速率升温所需的功率。这种数据反映了样本中物质从固体到液体再到气体的相变温度。火星上的水和二氧化碳是以冰的形式还是以与矿物结合的形式存在？对于不同的矿物而言，将其中所含的水或二氧化碳释放出来所需的热量是有很大差别的。热量计测得的温度信息将有助于确定土壤中的矿物种类（如碳酸盐等）。

另一种是样品通过加热释放或析出的气体经过质谱仪测得的化学成分和物质组成信息。这种数据可以确定火星土壤和冰块样品中是否包含有机物，继而确定有机物的类型和种类。任何有价值的发现都将成为解释火星是否有生命存在的重要证据。

质谱仪将测量火星样品中碳、氧、氢、氩和其他元素不同种类同位素的比例。在火星长期演化过程中，同位素的比例会发生变化，比如火星上的水中一些较轻的氢和氧同位素可能会逃出火星大气层逃逸到宇宙空间，就会造成原子质量较大的元素在火星水中的比例变大。

质谱仪还将对着陆地点进行大气测量，测量结果将为“凤凰”号气象监测数据补充大气湿度信息。

分析仪除了分析火星样品外，还从地球上自带了一种特殊的材料作为实验对照，这种材料经过特殊处理，尽可能不含任何碳元素。对照材料由科宁公司的玻璃陶瓷制成，通过机械臂刮下一部分送到分析仪分析。分析仪的读数可以说明地面样品去除碳元素程度到底如何。如果火星样品中碳的测量数据不高于地面样品的读数，那么火星样本中的碳很可能是从地球上带来的的微量碳元素。

“七种武器”之五 显微镜电化学与传导性分析仪

显微镜电化学与传导性分析仪（Microscopy, Electrochemistry, and Conductivity Analyzer，MECA）由4台仪器组成，用来分析火星土壤。其中包括湿化学实验室、光学显微镜、原子力显微镜，可分析机械臂采集来的土壤样品。

湿化学实验室

湿化学实验室有4个茶杯状烧杯，每个烧杯都只能使用1次，可以同时对火星地表和地下3个不同深度处的样品进行对比分析。该设备通过给样品加水成粥状，可研究火星土壤中的可溶性化学物质，实验过程中还能够加热保温以防止液体结冰。

每个烧杯内壁都有26个传感器，大部分是位于选择性渗透膜或凝胶背面的电极。有的传感器能测量土壤酸碱度（pH值），火星土壤pH值反映了土壤化学反应的类型，可以确定哪种类型微生物适合生存。到目前为止还从未在火星上测量过土壤的pH值。有的传感器能够测量氯化物、溴化物、镁、钙和钾等的离子浓度，这些可溶性盐的浓度反映了火星土壤氧化潜能。土壤中的重要化学离子硫酸盐，并不能直接测量得到，所以每个样品最后分析时，都要通过观察加入钡后的反应，来确定硫酸盐的多少。通过对不同深度处土壤样品水融性离子浓度的对比，可以提供火星土壤中水的历史线索。

光学显微镜和原子力显微镜

光学显微镜和原子力显微镜能够测量土壤颗粒和可能出现的冰颗粒的大小、形状和颜色。土壤颗粒的形状和尺寸分布能够告诉我们火星土壤经历的环境条件。颗粒不断翻转会使边缘变得圆滑，反复加湿和结冻会造成颗粒碎裂。长期暴露在水中形成的粘土矿石会有独特的片状颗粒形状。光学显微镜能够观察的最大颗粒大约为1毫米，最小能观察2微米的颗粒。光学显微镜能够通过12个发光二极管（LED）对红、绿、蓝、紫外线4种不同的光源排列组合照亮样品获得样品的色彩信息。原子力显微镜通过弹簧尖感知颗粒的表面形状拼合形成图像，测量弹簧应力就能够计算弹簧沿着颗粒表面轮廓伸缩的情况，就像是留声机指针在崎岖不平的乙烯基唱片凹槽内行进一样。原子力显微镜能看到100纳米的东西，这仅是人头发宽度的1％。机械臂将土壤样品送到一个金属轮上，金属轮旋转将样品提交给显微镜。在轮子边上设置了磁性和粘性硅化物等不同的接触面，这样就可以观察火星土壤颗粒与各种不同界面的相互作用。

热电传导探测器

第四台是热电传导探测器，安装在机械臂末端，有一排小型探针，共4根，能够借助机械臂在不同深度处插入火星土层检测土壤电传导及其他特性。

热电传导探测器可以评估热量和电流如何通过火星土壤从1根电极传导到另1根电极。一个电极施加一个热脉冲后，在附近的另一个电极可以记录温度升高的速度，以及受热探针降温的速度。土壤中只要有一丁点儿冰屑，其传热特性就会有很大差异。同样，土壤的电传导特性也对土壤的潮湿程度很敏感，从冰块、暖冰、水膜到液体阶段划分很明显。

热电传导探测器除了土壤分析功能外，如果悬停在空气中还具有其它一些妙用：可以作为空气湿度传感器测量火星大气内水蒸气含量；根据两个探针之间细微的温度差异，可以测量风速。

显微镜电化学与传导性分析仪是在2000年取消的“火星勘探者”计划中用的仪器基础上增加了测量探针和其它一些改进措施而成。

“七种武器”之六 气象站

“凤凰”号气象站（Meteorological Station;MS）采用温度和压力传感器以及激光雷达跟踪每日天气变化以及季节变化。这台火星高纬度气象站采集的信息有助于人们了解火星的水是如何在地面的水冰和大气中的水蒸汽之间季节性循环的。

激光雷达能发射高能激光脉冲，就像雷达发射无线电脉冲一样，激光束垂直发射进入火星大气，碰到大气灰尘和冰颗粒向各个方向反射，有的垂直向下反射回来，望远镜探测到向下反射回来的光线，通过分析反射光的强度和时间延迟，就能够获取颗粒形状和高度的相关信息。研究火星大气内颗粒的丰度和位置随时间的变化，有助于科学家了解火星云层和尘土的形成和运动。

气象站设有一根1.2米高的气象杆，杆顶部位于平台上方1.14米，是着陆器的最高点。气象杆上三个不同的高度分别装有温度传感器，能够测量火星地表附近温度随高度的变化情况。杆顶部还悬挂着1个风向标，显示出来的风向和风速指示可通过立体相机记录在案。

“七种武器”之七 火星下降成像仪

火星下降成像仪（Mars Descent Imager，MARDI）质量为480克，拍摄视角为75.3度，快门时间为4毫秒，用于“凤凰”号在下降过程中向下拍摄火星表面，堪察着陆点附近的地质情况。成像仪利用下降成像仪有望拍到有助于制定着陆器活动计划的地质环境，届时其它科学设备的观测结果。由于下降过程中航天器不停振动，所以拍摄的图像可能会有点模糊。成像仪还有1个小型麦克风，能够在拍照时顺便采集声音信息。“凤凰”号着陆后就不再利用成像仪拍照或录音了。

未来在火星表面活动的飞行器需要自我导航避开危险或到达指定着陆地点，拍摄下方图像是实现该任务的重要技术之一。

我们期待着这“七种武器”为地球上的人们带来关于火星的激动人心的消息。

作者：王志魁　苏辛未

电化学显微镜分析论文 篇2：

基于“专创融合”的材料力学性能课程建设与实践

[摘 要] 材料力学性能是材料学科的主干课程，如何基于“专创融合”进行课程建设和实践是本文研究的内容。科学和完善的教学团队、实验设备、网络教学平台、实践基地、科研项目支撑等资源是课程建设和实践的基础，而课程建设与实践的具体举措主要有课程教学方法与手段改革、教材及案例建设、课外学习要求及保障措施，以及考核内容和考核方式多元化。

[关键词] 材料力学性能;专创融合;课程建设与实践

[基金项目] 西南石油大学专创融合精品课程建设项目“材料力学性能专创融合建设与实践”（201901006）;四川省人才培养质量和教学改革项目“‘一带一路’背景下地方高校‘国际化与本土化’融合的材料类人才培养体系构建与实践”（JG2018-392）;“适应新工科发展的地方高校能源特色材料类专业建设与实践”（JG2018-397）;西南石油大学校级项目“材料成型及控制工程智能化数字化新型工科专业改造升级方案构建与实践”（X2018JGZDI017）;西南石油大学校级项目“适应新工科发展的地方高校能源特色材料类专业建设与实践”（X2018JGZDA019）;西南石油大学校级项目“‘一带一路’背景下地方高校‘国际化与本土化’融合的材料类人才培养体系构建与实践”（X2018JGZDA014）;四川省高等教育人才培养质量和教学改革项目“深度融合创新创业教育的材料成型及控制工程专业内涵建设研究与实践”（JG2018-454）

[作者简介] 杨 眉（1971—），男，博士，西南石油大学副教授，，研究方向为材料成型及控制工程。

一、概述

“材料力学性能”是材料科学与工程一级学科主干专业课，是我校材料学科核心课程，也是校级精品课程。建立创新的思维及思辨的研究方法，为今后开展材料分析、检测、评价和研究工作奠定基础。通过理论教学，让学生累积材料力学性能相关理论知识，并在实验中教学中提高工程实践能力与创新意识，提升创业技能。缺口试样拉伸实验（06010289）、薄膜显微硬度测试实验（06010234）和材料磨损实验（06010271）是学生必修的实验项目。

二、课程建设和实践的基础

我校在材料力学性能方面具有科学和完善的教学团队、实验设备、网络教学平台、实践基地、科研项目支撑等，这些资源都是课程建设和实践的基础。

1.教学团队

课程教学团队中有课堂授课教师副教授4名，教师1名，实践指导教师1名，创新创业训练指导3名（其中教授1名），校外专家2名。课程团队是校内校外相结合，授课老师和创新创业指导教师相结合。

2.实验设备

可以用于本课程的实验教学设备有力学性能检测设备主要有WDW-100D电子万能材料试验机、高温液压伺服万能材料试验机、大变形材料拉伸试验机、慢应变材料拉伸试验机、显微硬度计、布氏硬度试验机、洛氏硬度试验机、疲劳试验机、冲击磨料磨损试验机、静磨损试验机等;分析检测设备主要有DX-2700X射线衍射仪、EVO MA15扫描电镜、SECM扫描电化学显微镜、H-300透射式电子显微镜、DME 300M材料显微组织实验示教系统Nicolet6700红外光谱仪、GC2010 plus岛津气相色谱仪、TAQ20差示扫描量热仪、DSC823 TGA/SDTA85/e热分析仪等。

3.网络教学平台

建有课程网站：http：//i.mooc.chaoxing.com/space/index.shtml

4.实践基地

主要实践基地有：材料科学与工程学院实践教学中心、西南石油大学大学生创新创业中心、材料科学与工程学院创新创业俱乐部、四川省高校油气田材料重点实验室、中国石油天然气集团公司石油管工程重点实验室等。

5.科研项目支撑

本专业相关的科研项目主要有：（1）试井钢丝表面缺陷检测及数值模拟;（2）铜基线材热处理方案研究;（3）高酸性气田内部集输工艺选材研究;（4）X90/

X100高强管冷弯管制作技术规范研究;（5）管道试压后水处理装置研制。将科研成果融入课程教学，同时良好的合作关系也有利于引導企业专家专业进入课堂教学、指导课外实践，奠定了校外创新创业实践基地建设。

三、课程建设与实践的举措

1.课程教学方法与手段改革

目前课程教学主要方式是课堂授课和实践训练相结合，课堂授课主要围绕材料力学性能的基本理论、影响因素、测试理论进行理论分析，实践教学开设了三个基本教学实验，在第二课堂探索了开设创新性实验。

（1）教学理念更新。基于OBE理念，以学生综合能力培养为主线，以问题为导向，围绕问题解析解决问题的基础理论、解决途径、应用拓展等，完成学生创新思维训练;

（2）混合式教学模式探索与实践。多媒体与板书相结合、课堂教学与课后延伸相结合、理论教学与实践教学相结合、引导教学与自主性学习相结合，技能型实验与综合性实验相结合，拓展创新型实验;

2.教材及案例建设

（1）教材选用。《材料力学性能》课程选用经典的“面向21世纪材料科学与工程学科系列公共共建教材”中的《材料性能学》，连续使用多届，教材质量较高;突出我校的石油天然气行业特色。

（2）案例建设。企业导师联合编写部分基于项目解决的案例应用于课堂教学，实现网络共享;针对典型力学性能测试，结合科研实践编写实践案例。

3.课外学习要求及保障措施

课外要求认真完成布置的作业题、思考题以及要求阅读相关文献，撰写分析小报告，在小报告中必须反应出自己的思考，提出新的解决问题的思路。

4.考核内容和考核方式

（1）考核内容。由过去的注重基础知识点的考核，向利用基础知识、材料现代分析测试技术来分析、判断影响复杂工程问题的关键环节和主要参数，进而分析和解决实际工程问题的能力的考核。

（2）考核方式多元化。考核主要包括了“卷面理论考试+实践考核+平时考核”，形成理论考核和实践考核相结合，“线上”和“线下”相结合，形成性评价和结果性评价相结合的多元化考核方式;探索非标准答案考核方式。

四、总结

通过课程建设，充分利用校内校外实践训练平台，结合学校大学生创新创业中心以及材料科学与工程学院创新创业俱乐部的运行机制，搭建基于材料性能检测与分析的创新创业训练平台。

参考文献

[1]田立辉，赵勇，王晓丽，等.以培养学生创新思维和实践能力为目标的“材料力学性能”课程教学改革[J].教育现代化，2018（50）：63-64.

[2]王春霞，喻亮，崔洪波，等.“工程材料力学性能”课程教学改革与实践[J].广东化工，2019（9）：231，257.

[3]朱磊，赵宇龙，陈辉，等.材料力学性能基础实验课的教学改革研究[J].教育教学论坛，2019（6）：106-107.

作者：杨眉 王平 黄志宇 王斌 张先菊 王小红

电化学显微镜分析论文 篇3：

首次在火星极区着陆的“凤凰号”

举世瞩目的美国“凤凰号”火星着陆探测器2007年8月4日发射，经过约10个月的飞行后，预计2008年5月抵达火星北极。这次火星探测任务将持续3个月，“凤凰号”将利用机械挖掘臂在火星挖掘土壤，以了解当地环境是否适合生物生存。它是美国航空航天局对寻找火星生命发起的又一次强力冲击，也是继30年前“海盗号”火星探测器在火星上钻孔之后，再次探测火星地表之下的一次大胆尝试。

低成本探测器

凤凰的本意是经过涅槃重生的“不死鸟”，这次发射的火星着陆器取这个名字，寓意为它是失败的“火星极区着陆器”和因此取消的原定2001年发射的“火星勘测着陆器”的复活，并且包含了要完成前2个探测器未竞使命的意思。它是这2个探测器的备用零件和设备打造的一个“混血儿”，充分继承了“火星勘测着陆器”的技术，并吸取了先行者的成功经验和失败教训。

“凤凰号”由美国喷气推进实验室、洛马公司和亚利桑那大学联合研制，其中喷气推进实验室负责项目管理、系统工程、任务保证，并且管理有效载荷和任务系统，以及研制着陆器上的机械挖掘臂、显微镜电化学与电导率分析器和有效载荷电子线路盒。洛马公司负责着陆器的制造、总装、测试和试验等。同时，喷气推进实验室和洛马公司也作为后备的运行监控中心，必要时给予运行管理支持。亚利桑那大学负责建立科学运行中心及其运行管理，提供带有有效载荷科学仪器的着陆器工程样机，以及研制“凤凰号”上的热和演化气体分析仪(TEGA，又译热与气体分析仪)、表面立体成像仪(SSI)和机械挖掘臂相机(RAC)3种科学仪器。

在飞往火星途中，“凤凰号”装在扁圆锥状的外壳内。该外壳由上钟形罩与下防热层组成，其中钟形罩顶端是圆柱形仪器舱，舱内除控制、通信等仪器外，还有降落伞；舱外两侧各有一副太阳能电池翼。舱的周围还装有通信天线和修正轨道和调整姿态用的推力器。下防热层用于在进入火星大气层时朝向前方防热，保护壳体内的着陆器。其推进系统是装在上钟形罩上的8个推力器，其中4个负责轨道修正，4个负责姿态控制。

“凤凰号”着陆器由3条腿支持，中心是一个多面体仪器舱，其左右两侧各展开一副多边形的太阳能电池翼。舱顶是一块仪器板，装有各种科学仪器的探头、通信天线及机械挖掘臂。

在火星上，“凤凰号”将展开其自身携带的太阳能电池翼，为科研仪器提供电能。科学家希望探测器能在火星上持续工作150天，勘探其着陆区域夏季和秋季的情况。当冬季来临时，由于太阳照射时间短，探测器上太阳能电池产生的电能将不足以维持探测器的工作需要。

与“火星勘测着陆器”相比，“凤凰号”的最大改进是提高了太阳能电池翼的生能。因为当“凤凰号”到达火星时，火星离太阳的距离变大了，太阳常数减小：另一方面，它将降落在北半球高纬度地区，受太阳照射的入射角(与太阳能电池冀表面法线之夹角)变大，光电转换效率降低，所以“凤凰号”使用的太阳电池由2节电池改为3节电池。在高纬度地区着陆也带来一定的好处，就是着陆后的相当一段时期内，火星天空中太阳是不落的。

“凤凰号”是一个自动化程度很高的探测装置，也是一个能对周围物质和大气进行全面分析的轻便实验室。它携带有挖掘功能的机械臂和拍摄高清晰度照片的双镜头全景照相机等科学仪器。

各具功能的探测仪器

“凤凰号”两侧的太阳能电池翼展开后约5.5米宽，1.5米长。它装配了7种科学探测仪器，其中有的沿用了“火星极区着陆器”和“火星勘测着陆器”的仪器，有的是把经过太空飞行考验的仪器略加改进而成，还有的是在已有技术基础上研制的。它还装配有专门的大体积火星物质过滤器，使得探测器在执行任务过程中免受火星大块物质的侵害。

该探测器与美国近年发射到火星上的探测器不同，它既不爬到山丘上，也不下到撞击坑内去漫游，而是固定在火星北部平原的一个地方，用“爪子”向含冰土壤下挖掘，以便研究火星表面附近冰冻的水是否会定期溶化，从而足以维持能使微生物得以生存的环境。为做到i塞—点，并实现其它关键目标，“凤凰号”将携带一套以往还从未在火星上使用过的先进研究工具。

(1)机械挖掘臂

“凤凰号”2008年春季在火星北极平原着陆后，将利用一个机械挖掘臂及其它工具深挖火星冰层，取出土壤样本做进步分析，帮助科学家们分析火星表面可能的冰物质和泥土样品，找到火星气候变化和水源线索，以及支持生命存在的舒适居住地，以便确定火星表面之下的土壤环境是否能够成为微生物生命的良好栖息地。火星极地土壤与加拿大北部冻土带很类似。 机械挖掘臂是“凤凰号”着陆器操作的关键设备之一，可伸长2.35米，有上下、左右、前后、旋转4个自由度。其末端装有锯齿形刀片和波纹状尖锥，能在坚硬的极区冻土表面挖掘0.5～1米的深坑，还可为装在支承臂上的相机调整指向，并引导测量热与电传导性的探测器插入土壤。它铲起土壤和水冰的样品后，将它们送入着陆器甲板上的仪器进行详细的化学和地质学分析。显微镜电化学与电导率分析器将对土壤进行化学分析，热和气体分析仪将通过加热来检查样品中是否含有挥发性物质，如构成生命要素的水和碳基化合物。

(2)显微镜电化学与电导率分析器

它包括湿化学实验室、光学显微镜、原子力显微镜、热与电导率探针等4台主要仪器。其中湿化实验室由4个湿化学小箱组成，每个小箱内装有实验用的试剂和纯水以及26个敏感探头，用以检测土壤的元素成分，光学显微镜为固定焦距，使用256×512CCD阵，分辨率为4微米／像元，可用红、绿、蓝和紫外4种光照射试样。原子力显微镜用于拍摄40微米×40微米的极微小面积，分辨率达到亚微米级。这2种显微镜均用来给土壤样品拍摄成像。热与电导率探针测量土壤样品的导热性与导电性，样品的导热性用加热器和热电偶，以脉衰退法测量。通过把少量的土壤和水混合，显微镜电化学与电导率分析器可确定pH值(溶液的酸碱程度)和矿物丰度，如镁、纳阳离子或氯化物、溴化物和硫酸盐负离子，以及熔结的氧和二氧化碳。通过显微镜的观测，显微镜电化学与电导率分析器可检验土壤颗粒，以确定它们的来源和矿物学性质。原子力显微镜由Neufchatel/Swiss联邦工学院提供。

(3)机械臂相机

该相机装在机械挖掘臂腕关节处，能近处观看并获得全彩色图像，用于拍摄机械挖掘臂采集的土壤样品的高分辨率图像，包括铲勺中的土壤样品、火星表面挖出的坑槽中的土壤堆积物及坑槽壁上的土壤。这些图像将用来分析土壤颗粒的类型和大小。相机的焦距可在10厘米到无穷大之间调节，分辨率为2毫弧度／像元，可采用红、绿、蓝3种光照射样品。其观测项目包括着陆器附近火星表面情况、土壤和水冰样品、在由显微镜电化学与电导率分析器和热和演化气体分析仪分

析之前检验收集到的样品、槽底部和侧壁的小尺度结构和分层结构。Max Planck大气研究所为机械臂相机进行校准和试验。

(4)表面立体成像仪

作为“凤凰号”的“眼睛”，这种双镜头全景照相机能够拍摄出探测器着陆点附近地质情况的高清晰度照片，还可观测和分析从火星表面到高度2万米的大气层情况，获得火星云层的形成和移动的数据。它用于提供火星北极高分辨率、立体和多光谱的图像，勘测着陆点处的地质情况，绘制高分辨率的地质图和机械挖掘臂作业区地图，并测量着陆点地面上空大气中的尘粒和云层，进行多光谱分析和大气观测，表面立体成像仪将在蓝、红、近红外等波段拍摄立体图像，所载滤波器能在12个波段拍摄地质图像和8个波段的大气图像。其拍摄的太阳图像用于研究大气的透明度，天空图像用于测量气溶胶、尘粒和云层的特性，着陆器图像用于评估大气中尘粒的沉积速率。哥本哈根大学为表面立体成像仪提供校正目标用的磁铁。

(5)热和演化气体分析仪

该分析仪由高温加热炉和质谱仪组成，用于分析火星冰和土壤样品高温加热炉有8个小容器，土壤样品被送入其中的一个后加以密封，在对样品加热后，观测、记录土壤样品的吸热和散热过程，对土壤样品进行热分析；质谱仪用于分析土壤样品加热后释放出的挥发物，也能对火星大气采样，进行成分分析。

(6)火星下降成像仪(MARDI)

它在“凤凰号”下落的过程中起关键作用，用于拍摄火星表面、勘察着陆点附近的地质情况。火星下降成像仪将在探测器的防热屏蔽壳抛出后开始工作，在着陆最后阶段最多可拍摄着陆点的20张图像。相机的视场为65.9度，分辨率为9微米。

(7)气象站

这是“凤凰号”唯一专门研制的新仪器，它将用激光器对大气中的水和尘埃进行评定，在3个月内，对火星春、夏两季的天气进行监测，记录火星北极每天的天气状况。它由激光雷达和热偶温度计两部分组成，其中激光雷达固定指向上方，首次用来测量行星边界层，提供行星边界层中的云、雾和尘粒羽流的深度、位置、结构和光学特性。通过对行星边界层的测量，可了解火星表面与大气之间的相互作用，特别是挥发物的交换过程；热偶温度计有一根长1米的可伸展杆，顶端装有3个E型热电偶，测量靠近地表的大气温度；其压力传感器装在一个恒温容器内，以保证压力测量精度。温度和压力的测量结果可用于了解当地大气的特性。

负责研制火星气象站的加拿大约克大学科学家怀特威表示，他们不得不在匆忙中完成气象站许多部件的设计和制造。在这期间，加拿大科学家面临的最大挑战是激光雷达设备的研制，这是一种分析大气中云层和尘埃的仪器。其工作原理是向空中发出一个激光短脉冲，然后测量其碰到尘埃和云粒子反射回的光。加拿大科学家历来精于研发这种复杂仪器。但这一次要求仪器必须紧凑、重量轻且耗能低，同时还必须能在恶劣的火星环境中有效地工作，在火星极地，气温有时只有几摄氏度，而有时又有100摄氏度左右。怀特威教授说，气象站的研制时间非常紧张，因为“凤凰号”的发射窗口是在火星与地球距离相对最近的时刻，这种时刻2年才能有一次。所以这次是与时间赛跑，一点儿也不敢耽搁。

具体研制火星气象站的是加拿大MDA公司，该公司因成功研制航天飞机机械臂而成名。它研制的气象站原型装置如鞋盒大小，重量在10千克左右。原型装置在可以模拟火星环境条件的实验室进行了一系列试验。最初很不顺利，因为激光雷达经常发生这样那样的故障，不是激光工作不正常，就是其它内部元件在大跨度温度变化下发生故障。不过，加拿大科学家最终还是解决了这些问题。

上述所有设备都将在计算机的控制下按预先编好的程序进行工作。“凤凰号”在火星上开展科学考察工作以后，将陆续把获得的上述数据资料以无线电信号的形式发回地球，供科学家们分析研究。

选择着陆地点不易

“凤凰号”火星着陆器的发射留下了这样的记录：美国航空航天局具有竞争性且相对廉价的飞赴火星的“火星搜索计划”的首次飞行；美国从1964年11月以来发射的第18个火星探测器，从1975年8月以来发射的第7个火星着陆器。如果它能按预定时间登陆火星，那将成为美国第6个成功着陆火星的航天器。其登陆位置在火星北纬65度～75度之间的冰冻北极区附近。

之所以让“凤凰号”在火星北半球高纬度地区登陆，是因为以前的航天探测表明火星北极周围一年四季都有白色极冠。如果说白色极冠是由二氧化碳气体凝结成的干冰，那么在零下125℃以上它就会升华成为气态，而那里夏季温度在零下73℃到零下58℃之间。这说明白色极冠不可能全是干冰，至少其中有一部分是由水冰构成的，故而在此处更容易找到以冰态存在的水。

在“凤凰号”发射前的准备工作中，最棘手的问题之是选择着陆地点。与之前的“勇气号”和“机遇号”火星车采用行走勘测的方式不同，“凤凰号”采用的是定点勘测的方式，所以科学家必须选择一个极佳的着陆点，以确保其长久从事勘测工作。考虑到土壤标本更容易搜集，所以美国并不计划将“凤凰号”着陆在冰层表面。

科学家以前曾经选择好了“凤凰号”的安全着陆点。然而，“火星勘测轨道器”拍摄的照片显示，预期的着陆点B地区石块比较集中，布满了许多直径不足1米的石头。这些碎石将对“凤凰号”构成威胁。—旦降落在这片区域，它将很有可能被倾覆。除此之外，这些石块还会妨碍着陆器上的太阳能电池翼接收阳光，而高功率的太阳能电池对于着陆器的能量供给至关重要。再者，考虑到无线电信号从地球到火星需要一定的时间，因此，地球控制中心是无法在“凤凰号”下降过程中指令其躲避障碍物的。

正是由于上述原因，导致专家们集中对5个备选着陆区进行了详细分析。他们使用“火星勘测轨道器”上的高分辨率成像科学实验仪探测北极地区。5个备选着陆区地形相对比较平坦，而且还遍布了大量的网状裂纹(可能是冰雪消融作用的结果)，而“凤凰号”上安装的机械挖掘臂能够深入这些裂缝中采集土壤样本。

通过“火星勘测轨道器”和“奥德赛”火星轨道器确定了3处着陆点，以确保“凤凰号”安全着陆。在用颜色划分的着陆区域，涂有绿色的地方被认为是最安全的地方，称此为“绿色流域”。选择着陆地点的要素是既安全又具有科学探测价值，而安全是第一位的，如果不安全，其它方面将不予考虑。在发射前的3个月，科学家们一直在对“凤凰号”的火星着陆地点进行反复的论证，最终选定了火星北纬65度到75度范围的地区。人们希望“凤凰号”能够在零下100摄氏度的条件下工作。

“凤凰号”着陆期间，着陆区那里的土壤在经过了漫长的冬天之后刚刚暴露在阳光之下，地表和大气之问开始相互作用，这对了解火星气候的历史是非常重要的。另外，在火星极区的夏天没有日落，所以“凤凰号”能有最大的日照时间，这有利于太阳能电池翼供电，而阳光对于将蓄电池保持在温暖的状态也是重要的。火星极区富含冰的土壤可能是微生物可

以保存的唯一地方，在这个区域取样可以深入了解火星的可居住性。

为什么不用气囊着陆

“凤凰号”面临的最大麻烦是如何能在火星北极安全着陆。自1976年7月20日“海盗号”探测器首次软着陆火星以来，“凤凰号”将首次采用减速推进器而不是气囊着陆火星。在最近，“火星探路者”、“勇气号”和“机遇号”3次着陆火星过程中都使用了安全气囊。此前，最近的一次尝试用火箭推进器着陆火星是1999年12月初发射的“火星极区着陆器”，但登陆失败了，其主要原因是当时得出的火星地形信息有误。“火星极区着陆器”的降落伞打开时，由于错误的信息发出了错误的着陆指令，导致减速推力器提前关闭，“火星极区着陆器”因此直接撞上了火星而四分五裂。

不使用气囊着陆是因为“凤凰号”质量太大，达328千克，气囊难于保证软着陆的安全。“凤凰号”将以受控方式进入火星大气层，通过重心偏置产生一定的升阻比；使用改进的“阿波罗”飞船导引程序，将保证着陆点在预定着陆点15千米的误差范围内；同时采用HG9550着陆雷达提供导引和控制，精确测量着陆器的垂直速度和水平速度，以尽可能降低着陆瞬时的速度，以保证安全着陆。

与以往发射的火星探测器一样，“凤凰号”也采用防热罩来减缓其高速进入过程，然后通过超声速降落伞进步把速度降低到201千米／小时。着陆器随后同降落伞分离，以脉冲方式工作的下降火箭发动机点火工作，在着陆前把速度降至约8.45千米／小时。

这次设计师们非常小心地设计了“凤凰号”的着陆过程和“凤凰号”降落时使用的减速推力器系统。他们在“凤凰号”上分3处安装了12台发动机。这些发动机可以不同长度的脉冲快速点火推进。在降落伞打开后，它们必须坚持35秒钟，以确保“凤凰号”在火星上实现软着陆。

为此，洛马公司对“凤凰号”推力器系统进行了特别的点火测试，使工程师们重点了解到了“凤凰号”的完整结构和操作性能。漫长的测试包括阀门的开和关、在高压下让肼燃料导入着陆器的油泵里、火箭发动机产生的噪音和振动等。经过测试，证明了减速推力器系统安全、可靠，并减少了着陆火星时的噪音，由此使工程师们对“凤凰号”可控制下降的信心大增。

让“凤凰号”穿过火星大气层降落到火星地面，是最令人恐怖的阶段。美国航空航天局喷气推进实验室的“凤凰号”项目经理戈德斯坦说，“我们有7分钟的恐怖。将这样一个交通工具从每小时2.03万千米的高速和高热下变成零速度且只行进1.609万千米，是一件不容易的事情。”

距离火星表面125千米，“凤凰号”进入稀薄的火星大气层，大气的摩擦力使其减速。着陆器速度降低到马赫数1.7，降落伞展开，抛掉防热屏蔽壳，着陆雷达开始工作，着陆器腿伸开。着陆器下降到距火星表面1千米时与降落伞分离；距火星表面570米，减速推力器点火。距离火星表面12米或速度降到2.4米／秒，着陆器以恒定速度下落。当传感器探测到接触火星表面，肼燃料缓冲火箭熄火。“凤凰号”和地面上的控制员将一分一秒地等待着火星上扬起尘土，时间长达半小时，缓冲发动机有可能将尘土冲到火星稀薄的大气中。

在下降着陆过程中，着陆器通过x和UHF两种频段与地面或环火星轨道上的轨道器保持无线电联系。每个频段各有3副天线，均匀分布在防热屏蔽壳的钟形罩上，以保证整个下降着陆阶段与地球的通信联系。

“凤凰号”着陆后将会展开太阳能电池翼以产生电力。此外，其“健康状况”将发送给在头顶飞过的“火星勘测轨道器”或“奥德赛”。接着，“凤凰号”开始度过在火星上的第晚。科学家重点关注的是第一晚它能否幸存下来，如果能做到，就能获得着陆点第一夜的全景照片。

最后，我们衷心祝愿“凤凰号”一路走好，顺利到达目的地，并圆满完成任务。

责任编辑　兆　然

作者：智　豪