“火星2020”：人類歷史上最貴的“車”

文/毛新愿

▲“火星2020”藝術(shù)概念圖

在“洞察號”發(fā)射成功之際，有人可能會問：美國近期還有什么火星探測計(jì)劃？恰好，就在不久前，美國宇航局宣布：人類歷史上最為復(fù)雜的火星車——“火星2020”的建造取得重大進(jìn)展，將會順利趕上2020年7月的發(fā)射窗口。

由于火星與地球在太陽系的相對關(guān)系，二者擁有一個(gè)780天的會合周期，也就意味著從地球探測火星的窗口每26個(gè)月才出現(xiàn)一次，如果錯(cuò)過就要額外等待兩年多。

按照以往的慣例，在發(fā)射前美國宇航局估計(jì)又將舉辦小學(xué)生作文大賽，為這部火星車征名，不知道會是哪位小朋友得到這個(gè)殊榮。

技術(shù)看點(diǎn)

早在2012年8月6日造價(jià)高達(dá)25億美元的好奇號火星車成功降落火星后不久，當(dāng)年12月4日，美國宇航局關(guān)于新一代火星車的項(xiàng)目就正式立項(xiàng)，也就是眼前的這個(gè)“火星2020”。它是基于“好奇號”的平臺開發(fā)而來，在眾多儀器上做出一定改進(jìn)。

相比較“好奇號”專注于分析火星土壤和巖石的物質(zhì)組成，“火星2020”則專注于尋找生命的痕跡。它攜帶的X射線光化學(xué)熒光光譜儀，可以更加精細(xì)測定土壤和巖石的精細(xì)元素構(gòu)成；攜帶的新型地下雷達(dá)成像儀則直接可以探測地下十米以內(nèi)的水冰和鹽水含量，并輔助監(jiān)測有機(jī)物的含量。

除具備“好奇號”的功能之外，“火星2020”還有四個(gè)重大創(chuàng)新：

一是攜帶了一套火星制氧實(shí)驗(yàn)裝置，可以將空氣中二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣。對于人類未來的載人登陸火星任務(wù)來說，幾乎不可能將返回火箭發(fā)射時(shí)用的巨大燃料儲備送到火星地表，這難度過大。從火星空氣和土壤中提取甲烷、液氧、液氫等燃料，無疑成為最佳選擇。而氧氣的制備，無論對于未來人類的生存還是火箭燃料來源，意義不言自明。

二是攜帶了一臺“火星直升機(jī)”。雖然火星的大氣密度和氣壓連地球的1%都不到，但“火星2020”將釋放一臺僅重千克的超強(qiáng)直升機(jī)，為了飛起來需要達(dá)到地球同類直升機(jī)轉(zhuǎn)速10倍以上，能夠?qū)崿F(xiàn)每天最多3分鐘的工作時(shí)間。它可以極大擴(kuò)展“火星2020”的探測范圍，每天可以探測1公里左右。這將是人類歷史上首次將有翼飛行器送入其他星球。要知道人類第一個(gè)火星車“旅居者號”在7天工作時(shí)間內(nèi)才爬行了100米左右距離，而這個(gè)直升機(jī)每天的工作距離都是它的十倍之遠(yuǎn)！

三是攜帶了共計(jì)23臺照相機(jī)，為歷史之最。除了工程和避險(xiǎn)相機(jī)外，這23臺相機(jī)分別具備實(shí)現(xiàn)彩色成像、三維成像、微距成像等一系列復(fù)雜功能。因此，“火星2020”的功能也將大大提升：它不再需要停下來一塊一塊分析土壤和巖石，當(dāng)發(fā)現(xiàn)值得研究的目標(biāo)時(shí)，僅需調(diào)動相關(guān)相機(jī)就可在幾米開外進(jìn)行詳細(xì)探究。

四是將在人類探測火星60周年之際開啟采樣返回的新一輪挑戰(zhàn)。俄羅斯曾經(jīng)嘗試兩次火星采樣，但都不幸失敗?！盎鹦?020”將會收集值得研究的火星土壤或巖石樣本，由下一個(gè)專注于發(fā)射火箭返回的探測器將樣本送回地球。火星車縱然已經(jīng)功能強(qiáng)大，但和地球上的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室相比還不可同日而語，如果能夠帶回地球研究，得到的結(jié)論必將讓人大吃一驚。

可以想象，“火星2020”所實(shí)現(xiàn)的功能將大大超越“好奇號”。當(dāng)然，它的質(zhì)量也不低，預(yù)計(jì)將達(dá)到1噸左右，甚至超越它的前輩“好奇號”，成為人類歷史上最重的一輛火星車。

▲“好奇號”降落過程中“空中吊車”技術(shù)全過程

“空中吊車”再現(xiàn)

“火星2020”將繼續(xù)沿用“好奇號”的“空中吊車”技術(shù)：在降落過程中，著陸器在經(jīng)過大氣摩擦減速和降落傘減速后將會分成兩個(gè)部分，上部分?jǐn)y帶有巨大能量的8個(gè)反推火箭，形成一個(gè)懸浮在空中的“吊車”，下部的火星車通過電纜和3條柔性鋼索與之相連。隨著空中吊車緩慢減速降落，一旦火星車安全碰觸地面，所有的關(guān)聯(lián)繩索在幾毫秒內(nèi)迅速被切斷，空中吊車迅速飛走并遠(yuǎn)離火星車后墜毀。

要知道，這幾乎相當(dāng)于把一輛家用小轎車從迪拜塔上扔下來后，中途啟動空中吊車（“好奇號”的吊車啟動時(shí)運(yùn)動速度高達(dá)90米/秒、距離地表數(shù)百米），在短短幾十秒內(nèi)將相對速度減到幾乎為0。而由于火星車上精密儀器的存在，對沖擊力的容忍程度非常低，相當(dāng)于家用轎車的報(bào)警系統(tǒng)也不能被觸發(fā)，難度可想而知。而“火星2020”的空中吊車還將做進(jìn)一步改進(jìn)，可以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)選擇最優(yōu)路徑，將火星車放到最理想的地點(diǎn)。如果說“好奇號”的空中吊車可以將它從迪拜塔安全“扔到”火星表面，那么“火星2020”的空中吊車則可以將它精準(zhǔn)“扔到”停車位里。

能量來源方面，“火星2020”也將繼續(xù)沿用钚-238組成的放射性同位素?zé)犭姍C(jī)。這種原子彈副產(chǎn)品制造的“核電池”有著高達(dá)88年的半衰期，可以為火星車24小時(shí)提供穩(wěn)定的能量來源。這種電池已經(jīng)陪著兩個(gè)旅行者號探測器在太空中飛行了40年，依然與地面保持有效聯(lián)系。它也驅(qū)使著“好奇號”在火星表面行走了17310米！而且每一天，這個(gè)距離都在增加。

▲計(jì)劃接應(yīng)并執(zhí)行采樣返回火箭發(fā)射任務(wù)的火星探測器藝術(shù)圖

▲“好奇號”降落到火星后的一張自拍（舉著相機(jī)的機(jī)械臂已被PS掉）

▲火星直升機(jī)藝術(shù)效果圖

史上最貴的“車”

由于繼續(xù)使用了“好奇號”的基準(zhǔn)平臺和成熟的空中吊車技術(shù)，“火星2020”在建造方面的成本有所降低，但由于新型儀器的使用，它目前的預(yù)算已經(jīng)高達(dá)21億美元，逼近“好奇號”的25億美元。

考慮到它還有2年多才發(fā)射且極有可能是一個(gè)超長工作時(shí)間的火星車，它的預(yù)算最后極有可能超越“好奇號”，成為人類歷史上最昂貴的一部車。

而“好奇號”的25億美元是個(gè)什么概念呢？890千克的它，大概等值于40噸黃金，而“火星2020”極有可能超過這個(gè)數(shù)字！

現(xiàn)在，包括美國、歐空局、中國、俄羅斯、日本、印度和阿聯(lián)酋的眾多航天機(jī)構(gòu)也都摩拳擦掌，瞄準(zhǔn)2020年這個(gè)時(shí)間窗口。屆時(shí)，人類即將迎來探測火星歷史上最繁忙的一年！