火星探测漫游器太空计划中隐藏的数学问题.pdfVIP

火星探测漫游器太空计划中 隐藏的数学问题 Uffe Thomas Jankvist Bjorn Toldbod 2004年1月4 13，火星探测漫游器(MER)A(命名为“勇气”号)进入火星大气层． 重量为827公斤的宇宙飞船正以19，300公里／小时的速度飞行．4分钟后，当飞船外壳 接触到火星大气层时，速度降至1600公里／小时．此时，降落伞打开，飞船速度降至约 300公里／小时．当飞船距离火星表面100米左右时，制动火箭点火使下降速度减慢，最 后给飞船巨大的气囊充满气．被气囊覆盖着的宇宙飞船以大约50公里／小时的速度在火 星表面着陆．气囊球在火星表面跳跃滚动1公里左右，就象火星‘探路者”号早在7年前 登陆时一样．当登陆舱最终停止后，其气囊排气并收缩回去，同时打开叶瓣．在太空中6 个月后，封装在里面的“勇气”号漫游器终于可以展开它的太阳能板．3小时后，“勇气” 号向地球传送了第一张‘【古谢夫火山口”(Gusev Crater)影象资料．1月15日，“勇气”号 离开登陆舱，行驶到火星地面上．10天之后，即1月25日，火星探测漫游器B(命名为 “机遇”号)登陆的整个场景，在特里梅里迪亚尼(Terra Meridiani)又重新上演了一遍． 1．引言 2005年3月，作为在丹麦Roskilde大学数学系合作撰写硕士论文的一部分，我们在 美国国家航空航天局(NASA)的喷气式推进实验室(JPL)呆了一周时间．我们在此逗留 的目的是要对正在JPL进行的MER计划中的数学做一项小调查． 荣誉退休教授Philip J．Davis(戴维斯)在2004年发表的一篇文章中或多或少提出了 要做这样一个调查：“考虑最近这次至Ⅱ火星的飞行，它把一个‘实验室车’放到了这个行星 上． …如果没有把数学做进芯片和软件的巨大铺垫，那么，自始至终，这次火星发射是 不可能的．即使是知识最渊博的数学史家也难于发现和描述涉及到的所有数学问题．公 众很难知道这些，因为它们也不会登在报纸上．I2r’ 虽然我们不是 “知识最渊博的数学史家”，但不管怎样还是决定做Philip Davis的项 目．不幸的是，报纸并不是唯一不刊登这些东西的地方．实际上，要找到关于火星计划 中有关数学的大量文献是非常困难的，所以我们决定将调查立足在采访上．于是我们长 途跋涉来到加利弗尼亚州的帕萨迪纳市．在美国期间，我们还决定去拜访罗得岛普罗维 登斯市布朗大学的戴维斯先生，和他讨论即将进行的调查．戴维斯先生建议我们要深入 考察雇员从事航天业工作的个人动机，以及理解喷气式推进实验室中数学工作的实质[1】． 我们还决定看一看在日常工作中有哪些外部影响，诸如期限和经济限制——基本的工 作环境． 调查中更有意思的一个方面的结果证明是该计划中数学的不可见性．公众看不到其 原题l The Hidden Mathematics of the Mars Exploration Rover Mission．译自：The Mathematical Intelligencer，Vo1．29(2007)，No．1，P．8—15． · 315 · 中的数学似乎是自然的，但是，MER的一部分数学也被隐藏起来了，参加该计划的科学 家同样看不到．实际上，MER中数学的隐匿性或不可见性发生在几个层次，一些是有意 识的，一些是无意识的．本文的目的是介绍MER计划中的一些数学问题，讨论它们隐 藏的方式，以及这种隐藏对计划的影响．本文的许多描述是让JPL的科学家们自己来说 的，也就是说要经常引用我们采访时他们说的话． 2．在JPL工作的科学家 总的来讲，我们发现JPL的科学家是一些具有最高受教育水平的人，他们在完成大 学学业之后不久就进入研究院工作．他们有着成为航天工业一份子的强烈愿望和探索行 星的激情．在某种程度上，他们被吸引到JPL来，也是由于对探索宇宙所涉及的数学、 物理和工程问题的兴趣爱好；但是作为动机，这个因素似乎是第2位的． 第一个与我们讨论JPL工作中的数学问题的人是Jacob Matijevic，一个在JPL工作 了很长时间的数学家．我们特别讨论了工作中的建模问题，这是实际工作启动之前就会 产生的问题． 象MER这样的计划在很大程度上是要能预测宇宙飞船上的技术在宇宙空间或火星