毅力號：帶著鉆機去火星打洞

文/ 李晨風 寧艷

“火星2020”總裝測試現(xiàn)場

7月30日，美國火星2020 探測器發(fā)射升空。它攜帶一臺名為“毅力”的漫游車，開始火星采樣返回任務的第一階段。

“火星2020”任務主要目的和被推遲的歐洲火星生命計劃一樣，專注尋找可能的火星生命。它不僅是為了尋找火星宜居條件的跡象，而且還要尋找過去曾經(jīng)存在的微生物跡象。因此，“火星2020”的毅力號漫游車上裝備了一臺鉆探機，可以采集最有希望找到證據(jù)的巖石和土壤樣本，并將它們放在車內(nèi)的“儲藏室”中，等待未來任務把這些樣本送回地球。然后，科學家們可以在實驗室里用大型設備來研究這些樣本——這些設備太大，無法發(fā)射到火星上。這次任務還打算試驗一些未來航天員常駐火星需要用到的技術，包括測試如何從火星大氣中產(chǎn)生氧氣、尋找其他資源（如地下水）、改進著陸技術、探測可能影響人類生活的環(huán)境條件。

“火星2020”的設計基于正在火星運行的“火星科學實驗室”任務架構，包括其好奇號漫游車及其著陸系統(tǒng)。

降落辦法有繼承也有創(chuàng)新

美國已經(jīng)實施了多次探測火星任務，因此從地球起飛、奔向火星到火星捕獲的整個過程基本上不會有懸念?！盎鹦?020”任務能否成功首先取決于能不能順利著陸。美國宇航局將它歸納為進入、下降和著陸過程（EDL）?！盎鹦?020”的著陸方案和好奇號火星車一樣，包括降落傘、下降飛行器和一種被稱為“天空起重機”的方法。在著陸前的最后幾秒鐘，用一個火箭反推懸浮的天車，把火星車吊掛著放到地面上。這種著陸系統(tǒng)的發(fā)明，讓人們可以在火星表面著陸一個非常大、非常重的探測器。當然，“火星2020”也不是完全沿用“好奇號”的著陸技術，而是采用了一些新的技術，可以達到更高的導航精度和更豐富的數(shù)據(jù)回傳。

過去幾十年的星際探測史告訴我們，在火星上著陸是很困難的，目前只有美國成功實現(xiàn)了火星軟著陸。更難的是，能夠在接近主要考察目標的地方著陸。此前火星漫游車都只能降落在目標研究區(qū)域的一段距離之外。這點距離在地球上不算什么，但對于漫游車來說，要花費寶貴的幾周甚至幾個月時間來跋涉。

“距離觸發(fā)”技術

為此，“火星2020”任務小組打算采用新的方法，讓“毅力號”降落到盡量接近目標區(qū)域的位置。這項技術稱為“距離觸發(fā)”，可以把橢圓形預定著陸區(qū)的尺寸減小50%以上。采用這項技術之后，如果研究人員選定了一些價值很高、平地面積卻很小的目標區(qū)，也能成功降落下去。

“距離觸發(fā)”技術的關鍵，是選擇合適的時機來釋放下降飛行器的降落傘。早期的任務中，探測器會在火星大氣中摩擦減速，達到預期速度后盡早開傘?！盎鹦?020”則不然，它要根據(jù)探測器相對于預定著陸位置的距離開傘。如果飛船有可能錯過目標區(qū)，就要提前開傘；如果可能無法抵達目標區(qū)，就要錯后開傘。

根據(jù)推算，距離觸發(fā)技術可以讓“毅力號”的降落位置比舊的技術更靠近目標區(qū)，讓“毅力號”的“上班”路近上幾公里?？紤]到火星車的緩慢速度，這意味著它可以提前一年開展工作，意義是相當明顯的。距離觸發(fā)技術如果在“火星2020”上取得成功，還能用于未來的樣本返回任務。前來取樣本的著陸器能夠降落在更接近樣本存放地點的地方，盡早拿到樣本返回地球。

地形相對導航技術

地形相對導航技術和嫦娥四號所采用的降落導航技術有相似的地方?！耙懔μ枴碧貏e適合于地形復雜、有陡坡和大塊巖石、比較危險的地方。

它的工作原理很容易解釋：首先是繞著火星飛行的探測器拍攝和繪制了著陸地點的地圖，把可能的風險都標注出來。這張地圖會存儲在“毅力號”的電腦里。開傘以后，“毅力號”會打開相機拍攝火星地面情況，把實際看到的地表與存儲的地圖相對比。

“火星2020”的星際飛行器

降落過程中，“毅力號”的車輪逐漸展開

如果“毅力號”發(fā)現(xiàn)自己正向著危險地表接近（判斷范圍大約是300米邊長的區(qū)域），可以改變方向，選擇一個更加安全的區(qū)域降落。

“天空起重機”和“毅力號”聯(lián)合測試

樣品傳送到“毅力號”車體內(nèi)

為什么地形相對導航很重要？就不能把火星車降落在平坦一點的地方嗎？地形相對導航是火星探測的關鍵?；鹦翘綔y最有趣的地方是去復雜的地形進行探索，這些地方有特殊的巖石和土壤，可能保存火星上過去微生物生命的跡象！

到目前為止，人類還沒能把探測器派遣到這些有意思的地方。因為復雜的地形會大大提高直接著陸的風險，著陸器很可能撞上一塊大石頭導致翻車，火星上可沒有可以用電話呼叫的救援服務。因此，在過去的火星著陸行動中，選定區(qū)域的99%面積上都不能有斜坡和巖石。這就意味著科學家們要放棄很多有價值的地點。有了地形相對導航技術之后，科學家們的選擇就一下子豐富起來了。

地形相對導航技術的提出，是建立在前期任務基礎之上的。在此前的任務中，人們發(fā)現(xiàn)，著陸器在進入火星大氣層之前，根據(jù)通過深空網(wǎng)絡提供的數(shù)據(jù)推算，探測器相對于預定著陸點的誤差約為1～2 公里。進入火星大氣層后，由于受到大氣影響，誤差估計會增加到約2～3 公里。

通過使用地形相對導航，有希望大幅度縮小誤差?？茖W家們通過計算認為，可以通過空中機動，把這個誤差數(shù)據(jù)減少到60 米甚至更小的數(shù)值。要做到這一點，需要解決兩個問題：準確地知道下降飛行器自身的位置和前進方向，足夠的空中機動能力。

“火星2020”能否實現(xiàn)距離觸發(fā)和地形相對導航，取決于相關的傳感器套件。其中包括一個叫做MEDLI2 的設備，還有一個叫做“EDL 攝像機和麥克風”。

MEDLI2 源于好奇號火星車任務期間的同類設備，全名是“火星科學實驗室進入、下降和著陸儀表第二代”。好奇號任務期間的這套設備只能采集熱防護罩上的有關數(shù)據(jù)，MEDLI2 不但可以采集熱防護罩的數(shù)據(jù)，還能采集著陸器后部的數(shù)據(jù)。

MEDLI2 和來自“毅力號”所攜帶的“火星地表氣象站”（MEDA）的數(shù)據(jù)，能夠讓科學家們更好地了解火星上的大氣密度和風的特征，用于設計性能更好的未來火星著陸方案。

科研人員正在組合采樣存儲機構

美國宇航局工作人員頂著疫情進行測試

“EDL 攝像機和麥克風”全稱是進入、下降和著陸（EDL）攝像機和麥克風。這套設備中包括好幾個相機：降落傘“仰視”相機、下降階段“仰視”相機和漫游車“仰視”相機。因為火星上是有大氣的，所以人們可以聽到聲音。因此“火星2020”裝了一個麥克風，用于在整個登陸期間捕捉聲音。

因為這套設備能夠提供直觀視聽感受，所以也被美國宇航局稱為“公眾參與有效載荷”。它能給地球上的人們帶來逼真的、戲劇性的感受，就像他們親自坐著飛船向火星降落一樣。2012年“好奇號”的降落視頻就引發(fā)了人們的狂熱，這段長達7 分鐘的“恐怖視頻”在網(wǎng)上瘋傳。有了這段視頻，人們終于知道了降落傘如何在火星大氣層中打開，火星車如何被繩索吊放到火星表面，然后兩者之間的繩索被割斷，天車自己飛走無影無蹤。

毅力號漫游車

“毅力號”預計2021年2月18日在火星表面著陸，然后實施為期一個火星年（687 個地球日）的探測。具體內(nèi)容包括4 個目標。

目標一：尋找可居住性，發(fā)現(xiàn)在火星遠古時期可能支持微生物生存的環(huán)境中形成的巖石，或被微生物改變的巖石，確定火星過去確實存在著能夠支持微生物生存的環(huán)境。

“毅力號”的主相機正在測試

目標二：尋找生物特征，在那些適宜居住的環(huán)境中尋找可能存在的遠古微生物跡象，特別是在那些能長期保存生命跡象的特殊巖石中。

目標三：暫存樣本，從大約30 個有希望找到生物痕跡的巖石和表土目標上鉆取樣本，并將其存儲在火星表面的具體位置。

“毅力號”的主相機

目標四：為載人登陸做準備，測試從火星二氧化碳大氣中產(chǎn)生氧氣的能力?；鹦谴髿夥浅Ｏ”?，而且二氧化碳含量高達96%。人類肯定不能直接呼吸火星大氣，但是二氧化碳的存在，讓人們看到了制取氧氣的希望。假如能夠用火星大氣制氧，未來的火星基地就可以自己解決呼吸問題，還可以支持更大規(guī)模的火星科考與資源開發(fā)。

所有這些都與火星生命的可能性有關。前3 個考慮了遠古微生物的可能性。即使探測器沒有發(fā)現(xiàn)任何過去生命的跡象，也為將來人類在火星上的生存鋪平了道路?！耙懔μ枴边€將進行與4個目標相關的其他科學研究。例如，監(jiān)測火星大氣的氣候和塵埃，這對于了解火星上的季節(jié)變化非常重要，也將有助于未來人類更好地預測火星天氣。

“毅力號”降落到地面后，就要開始從事上述幾個目標的科學作業(yè)了。它的基本架構與“好奇號”類似，實際上，“毅力號”大量使用了好奇號研制期間留下的備份元器件，大量降低了任務成本和風險。根據(jù)設計，“毅力號”將在火星上行走5～20 公里。美國的前三次火星車任務中，都發(fā)現(xiàn)車輪最容易出故障。特別是在火星那種復雜的道路條件下，車輪很容易被沙塵淤塞，進而失去正常行走的能力。因此，“毅力號”在車輪上做了重大改進。

“毅力號”是靠機械臂采樣的

和前三個火星車一樣，“毅力”攜帶了大量科學儀器，我們在這里僅僅介紹特點最為鮮明的部分，也就是機械臂和上面的鉆探設備。

在石頭上打眼的沖擊鉆

在火星表面作業(yè)中，“毅力號”的主要工作就是在石頭上打洞。具體分為以下幾個步驟：

第一步：找到有價值的巖石。

科學家們特別希望能找到在水中形成或被水改變的巖石。水是生命的關鍵，如果這些巖石含有有機分子，那就更有趣了。有機分子是以碳為基礎的化學物質(zhì)，是生命的基石。一些特殊類型的巖石可以保存數(shù)十億年以來的生命化學痕跡。如果能找到這兩類巖石，就很有可能在火星上發(fā)現(xiàn)遠古微生物痕跡。此外，“毅力號”還要收集火山巖和其他巖石，以建立地質(zhì)和環(huán)境隨時間變化的記錄。

第二步：采集巖樣。

一旦科學家確定了一個感興趣的巖石目標，“毅力號”就會動用鉆機，鉆出一個核心樣本。鉆機的原理和我們在地球上給空調(diào)打孔的水鉆一樣，但是考慮到“毅力號”的承載能力和發(fā)電功率都很有限，而且也不可能加水冷卻及潤滑，它的鉆取深度只有2 英寸（大約5 厘米）。

第三步：密封巖石樣本。

巖芯樣品鉆取下來之后，就要放進預先清洗過的樣品管里，蓋上蓋子。按照地球上巖石的密度計算，每個樣品重約半盎司（15 克）。

第四步：攜帶樣品。

存好樣品之后，“毅力號”會把管子插進自身攜帶的一個儲存架上，然后帶著它繼續(xù)行進，直到任務小組在火星表面選好一個臨時存儲位置為止。因為這些樣品來之不易，所以任務小組把這些臨時位置稱為“戰(zhàn)略位置”。

第五步：保存樣本。

“毅力號”也能斜著鉆探

“毅力號”鉆探大塊巖石的想像圖

“毅力號”鉆探水巖石的想象圖

將火星樣本放在火星表面的一個位置，等待2022年美國宇航局發(fā)射另一個探測器來火星。這個探測器具備從火星表面起飛的能力。它會找到“毅力號”存放樣品的地方，把它取走返回地球。按照目前的技術，火星探測器在繞火星飛行的時候，可以精確獲取火星表面的影像，定位精度可以達到1 米，再結合漫游車用攝像頭拍攝的圖像，可以把定位精度提高到1 厘米。如果一切順利，返回探測器可以很容易地找到樣品存放點。

“毅力號”的機械臂

鉆探工作的主角是“毅力號”的機械臂。這條2.1 米長的機械手臂可以像人的手臂一樣運動。它有肩膀、肘部和手腕關節(jié)，保證了最大限度的靈活性。這只手臂可以讓漫游車像人類地質(zhì)學家一樣工作，用“手”或轉塔握住和使用科學工具。漫游車的“手動工具”可以從巖石中提取巖芯，拍攝顯微圖像，分析火星巖石和土壤的元素組成和礦物組成。

這條機械臂有5 個自由度，是通過名為“旋轉執(zhí)行器”的微型馬達實現(xiàn)的，這5 個自由度是肩關節(jié)、臂關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)和轉塔關節(jié)。手臂末端轉塔就像一只手，可以握持相機、礦物和化學分析儀，用來研究火星過去的可居住性，并選擇最具科學價值的樣本進行儲存。

安裝在轉塔上的科學工具有鉆探類和觀測類兩種。

在石頭上打洞

最重要的當然是鉆探設備。轉塔上有3 種不同的旋轉沖擊鉆頭：巖石取樣鉆頭、風化巖石和土壤取樣鉆頭、研磨器，直徑都是27 毫米。兩種鉆頭用于將火星樣本直接收集到干凈的樣本收集管中，而研磨鉆頭則用于刮除或“研磨”巖石表層，露出新鮮、未風化的表面，以供研究。

首先來討論巖石取樣鉆頭。鉆頭從巖石內(nèi)部切出樣品，然后從巖石本體上切斷取出，再把樣品直接收集到干凈的樣品收集管中。這些樣品管大約有一個手電筒那么大。每個收集到的巖芯直徑為13 毫米，長度為60 毫米，平均每根管子含有10～15 克火星物質(zhì)。這種鉆頭的形狀和原理，和我們在建筑物墻體上開孔安裝空調(diào)的開孔鉆幾乎一樣，只是體積更小一些。但是在火星上對巖石開孔，還是有些問題要解決的。

我們知道，在為空調(diào)打眼之后，鉆頭中間會有一段圓柱形的墻體材料。作為科學考察，這一段圓柱體就是人們想要的樣品。在地面上，我們經(jīng)常會遇到這樣的情況：墻體材料卡在了鉆頭的中間，工人師傅們想盡辦法，也很難把它拿出來。有時候經(jīng)常要用鐵錘用力敲打鉆頭的圓筒，甚至于拆掉鉆頭的尾部，用另外一個堅硬的物體伸進去把它頂出來。在火星上，我們可找不到工人師傅來做這么費力的工作，如果鉆頭卡住了，“火星2020”任務的主要工作項目就面臨著失敗的風險。

于是，“毅力號”的鉆頭采用了一種獨具匠心的設計。它的鉆頭分成內(nèi)外兩層。外層就是我們所熟悉的開孔鉆，內(nèi)層還有一段管子，叫做切斷管。兩者之間用螺紋旋在一起，可以相對運動。開孔鉆和切斷管的軸心并不是和驅(qū)動電機完全重合的，而是都稍稍錯開一點。在鉆探開始的時候，開孔鉆和切斷管的中心重合在一起。這樣，當開孔鉆向巖石內(nèi)部掘進的時候，被采集下來的巖石樣品就進入了切斷管的內(nèi)部。當鉆頭抵達了大約6 厘米的預定掘進深度以后，就停止鉆探，切斷管單獨旋轉起來。如此，切斷管和開孔鉆的軸心就有所偏離，這樣就會對管內(nèi)的巖石樣本施加一個橫向的推力，把它從巖石本體上剪切下來。因為推力是整個施加在樣本側面的，因此切斷的位置肯定是在根部，不會出現(xiàn)那種掘進了6 厘米，但實際上只能拿出不到6厘米長度樣品的情況。切斷之后，巖石樣本的下端面卡在了切斷管和開孔鉆形成的一個小小臺階上，不用擔心它掉出去。這樣巧妙的設計也允許“毅力號”的采樣機構能夠鉆取非常小直徑的樣本，降低了對鉆探機構尺寸和功率扭距的需求。

在泥地上采樣，需要用特制鉆頭

鉆取巖石的示意圖

相比之下，在地球上進行地質(zhì)鉆探，所取回的樣本直徑往往達到5 厘米甚至更多。這樣能讓科學家們得到更多的樣品。然而，它所需要的扭距和機械功耗，超過了火星車所能提供的額度，因此不適用于“火星2020”任務。

鉆探不同質(zhì)地巖石的實驗效果

鉆探風化巖石的效果

除了堅硬的巖石，“毅力號”還需要在風化嚴重的巖石和土壤上取樣。風化巖石和土壤的特點是容易破碎，而且鉆探過程中會產(chǎn)生大量粉塵。因此?！耙懔μ枴边€配備了另一種鉆頭，它的開孔鉆部分稍微短一些，側面開有比較寬的長孔，這樣就可以在鉆探期間，把大量粉塵排出去，免得它們卡死鉆頭。

這樣新奇的設計方式到底靠不靠譜？從上世紀90年代開始，美國宇航局專家就在測試這種獨具創(chuàng)意的鉆取方式。他們考察了數(shù)十種不同的巖石，從其中選擇了6 種具有代表性的實驗對象進行了140 次鉆探實驗，其中有132 次取得了完全成功，只有8 次發(fā)生了樣本斷裂、取樣不完整的情況，沒有出現(xiàn)過采樣之后切斷管里空空如也、一無所獲的情況。甚至在對一些風化極為嚴重的巖石進行采樣時，也取得了成功。

鉆探風化巖石和土壤的鉆頭

鉆探后把樣品送入存儲設備的試驗

“火星2020”任務并不僅僅是把巖石樣本鉆探出來，供下一次任務帶回地球。它能夠在火星上就對這些樣品進行一些初步的理化分析。從美國宇航局為此發(fā)布的視頻中可以看到，當鉆探完成之后，會先把收納著巖石樣品的管子從鉆機里取出來，插到一個轉盤里，再用機械臂送到火星車內(nèi)部的理化分析儀器當中，進行初步的掃描和分析。其中最重要的工作是測量樣品的體積和重量。然后，把樣品存放管密封起來，放進火星車后部的收納空間。每個過程都要留下影像證據(jù)。根據(jù)美國宇航局發(fā)布的視頻，“毅力號”上一共有大約37個可以容納巖石樣品的收納空間。

夏洛克、沃森和皮克斯

“毅力號”的機械臂上還有3 個設備，分別叫做夏洛克、沃森和皮克斯。它們的任務還是和尋找生命有關。

夏洛克是“有機物和化學物質(zhì)的拉曼光譜和發(fā)光光譜掃描宜居環(huán)境”的簡寫，用來近距離研究礦物。它裝在轉塔上之后，可以和目標進行零距離接觸，使用分光計、激光和照相機來尋找有機物和礦物質(zhì)。如果這些有機物和礦物質(zhì)曾經(jīng)有過水，或者曾經(jīng)滋生過微生物，就可以被感知出來。

沃森是“操作與工程用廣角地形傳感器”的簡寫，它就像一個地質(zhì)學家的手持相機，放大并記錄由夏洛克研究的巖石和土壤目標的紋理。沃森還能拍攝漫游車自己的一些部位，如安裝在下部的車輪和儀表。

這里的皮克斯可不是那個著名的電影工作室，而是“行星X 射線巖石化學儀器”的簡寫。皮克斯同樣能夠探測到過去生命的跡象，在火星巖石和土壤中尋找由任何古代微生物留下的紋理和化學物質(zhì)的變化。皮克斯收集的信息將決定下一步的科學考察目標優(yōu)先級排序。

這3 個設備都是非接觸式傳感器，為了防止它們撞在巖石表面受損，轉塔上還有一個特殊的接觸傳感器，如果距離太近，接觸傳感器會向機械臂發(fā)出停止信號。

上面，就是有關“火星2020”任務的“干貨”?，F(xiàn)在，就讓我們期待它在火星上打洞吧。