美國成功發(fā)射毅力號火星車，邁出火星采樣返回第一步

張揚眉（北京空間科技信息研究所）

“火星2020”（Mars 2020）是美國國家航空航天局（NASA）的一項火星巡視探測任務，于北京時間2020年7月30日19:50由宇宙神－5－541（Atlas－5－541）運載火箭從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射。該任務的科學探測目的為探尋火星過去的宜居條件，探索火星表面遠古的生命痕跡，并采集火星巖石和土壤樣品，將其存儲在容器中，供未來的火星采樣返回任務帶回地球?！盎鹦?020”探測器攜帶毅力號（Perseverance）火星車，將于2021年2月18日著陸火星表面，工作時間為至少1個火星年（687個地球日）。

1 任務背景

“火星2020”任務屬于NASA的“火星探測計劃”。美國國家研究委員會（NRC）曾于2011年發(fā)布行星科學10年調查報告—《2013－2022年行星科學愿景與航程》，該報告將火星采樣返回任務列為未來10年優(yōu)先級最高的旗艦級深空探測任務?！盎鹦?020”任務則作為未來美國火星采樣返回任務的第一階段，將采集火星樣品，供未來任務送回地球。

2013年11月，“火星2020”項目開始規(guī)劃；2014年10月，完成系統(tǒng)需求/任務定義評審；2016年2月，完成初步設計評審；2017年2月，完成關鍵設計評審；2018年2月，完成系統(tǒng)集成評審；2020年1月，完成美國政府問責辦公室（GAO）評審。

“火星2020”項目由美國噴氣推進實驗室（JPL）管理，項目原計劃總成本為24.4億美元，其中規(guī)劃成本為3.91億美元，研發(fā)成本為16.77億美元，運行成本為3.76億美元。2020年1月，GAO發(fā)布評估報告，稱該項目超支11.6%，總成本達到27.26億美元，其中規(guī)劃成本為3.98億美元，研發(fā)成本為20.36億美元，運行成本為2.92億美元。該項目的國際合作伙伴包括法國國家空間研究中心（CNES）、西班牙國家航空航天技術研究所天體物理學中心（INTA-CAB）、挪威國防研究所（FFI）、意大利航天局（ISA）等。

在推進后續(xù)的火星采樣返回任務方面，2019年，NASA和歐洲航天局（ESA）繼續(xù)推動聯(lián)合實施火星采樣返回任務的方案和探測器設計研究。雙方曾于2018年簽署了合作意向聲明，將合作開展火星采樣返回任務，其中ESA負責提供取樣火星車以及地球返回軌道器，NASA提供將樣品發(fā)射至火星軌道的火星上升器。

2 任務基本情況

任務目標

“火星2020”攜帶的毅力號火星車將在杰澤羅環(huán)形山（Jezero Crater）著陸，該地區(qū)經歷了濕潤、干涸、再濕潤、再干涸的變化過程。約35億年以前，有河道水流經過該環(huán)形山壁，形成一個湖泊，河水攜帶附近區(qū)域的黏土礦物質進入環(huán)形山，但之后該湖泊逐漸干涸。在該地區(qū)的“濕潤”時期，可能曾出現(xiàn)過微生物，因此毅力號有可能在河床中尋找到相關證據(jù)。此外，毅力號還將為火星地質學和氣候研究提供重要數(shù)據(jù)。毅力號有以下4項科學目標。

1）探測火星的宜居性：鑒別可以支持微生物生命的火星遠古環(huán)境；

2）尋找生命痕跡：尋找這些宜居環(huán)境里微生物生命存在的痕跡，尤其是那些已知可以長期保留生命痕跡的特殊巖石；

3）保存樣品：采集核心巖石和土壤的樣品，并將其存儲起來，放置于火星表面的容器內；

4）為未來載人火星任務做準備：測試利用火星大氣制造氧的技術。

探測器設計

（1）整體設計

“火星2020”探測器由三部分組成：巡航級，進入、下降和著陸（EDL）系統(tǒng)，以及毅力號火星車。

探測器的EDL系統(tǒng)繼承了好奇號（Curiosity）火星車的設計，但在此基礎上采用了一些新技術，包括距離觸發(fā)器，地形相對導航，火星科學實驗室進入、下降和著陸儀器－2（MEDLI2），以及EDL相機和麥克風等。

“火星2020”探測器構型圖

毅力號是NASA迄今為止建造的體積和質量最大的火星車，繼承了好奇號的設計，大小類似一輛緊湊型小轎車，尺寸為3m×2.7m×2.2m，質量為1025kg，工作壽命為1個火星年。

毅力號利用多任務放射性同位素熱電發(fā)生器（MMRTG）提供能源，該發(fā)生器質量為45kg，利用4.8kg的二氧化钚進行電能轉換，工作壽命為14年，發(fā)射時的功率為110W。此外，毅力號還配備有2套鋰離子可充電電池組。在通信中繼方面，毅力號利用深空網（DSN）與地球通信，配備了特高頻（UHF）低增益天線、X頻段高增益天線，通過NASA在軌的火星軌道器中繼大部分科學數(shù)據(jù)，或直接與地面進行通信。此外，毅力號的超級相機（SuperCam）以及車身側面各安裝了一個麥克風，將首次捕捉降落過程中的聲音，以及毅力號工作過程中的聲音。

毅力號共有6個輪胎，鋁材料制成，直徑為52.5cm，每個輪胎都有獨立的電機，2個前輪和2個后輪具有獨立的轉向電機，能夠原地360°轉彎，可攀登40cm高的巖石。相比好奇號，毅力號的輪胎具有更好的耐磨性和摩擦力，且尺寸也進行了改良，直徑更大，寬度更窄。

毅力號火星車有效載荷分布情況

（2）有效載荷

毅力號將攜帶7種有效載荷，總質量59kg，分別為桅桿相機-Z（Mastcam-Z）、超級相機、X射線巖石化學行星儀器（PIXL）、“夏洛克”（SHERLOC）、火星氧氣原位資源利用實驗（MOXIE）、火星環(huán)境動態(tài)分析儀（MEDA）、火星亞表面雷達成像實驗（RIMFAX）。

（3）采樣和存儲分系統(tǒng)

毅力號的采樣和存儲分系統(tǒng)包括3臺裝置：機械臂、樣品傳送盤、適應性存儲組合，共配有9個鉆頭，43個樣品管。這些裝置將共同協(xié)作，采集巖石和土壤樣品并將其封存在樣品管中，最后將上述樣品管存放在火星表面，供未來的火星任務獲取并送回地球。毅力號計劃采集至少30份樣品。

1）機械臂。毅力號裝有一個具有5個關節(jié)、長2.1m的機械臂，上面裝有一個可裝載鉆頭和儀器的45kg的云臺。該機械臂裝在毅力號底盤的前部，可以伸縮移動。云臺包括一個提取器、一個用于獲取巖石和土壤樣品的可旋轉的撞擊設備。一小罐壓縮氮氣可用于吹散樣品上的塵埃和其他粒子，以供安裝在云臺上的“夏洛克”和PIXL進行樣品分析。當科學團隊確定了值得采樣的巖石或土壤后，將向毅力號傳送指令，機械臂將裝著樣品管的巖石鉆頭或土壤鉆頭裝在提取器上，鉆頭在目標位置開始鉆取樣品。鉆頭有“旋轉”和“沖擊”兩種模式，可將直徑13mm、長度60mm的樣品裝入采樣管中。樣品的平均質量為10～ 15g。

毅力號火星車將把巖石和土壤樣本儲存在密封管中，以備將來的任務獲取

2）樣品傳送盤。在采集到樣品后，機械臂將樣品管放入樣品傳送盤中。該傳送盤安裝在毅力號的前部，形狀類似一個圓形飛碟。傳送盤內存儲著空鉆頭，可將樣品運送給云臺上的取樣器。一旦取樣器獲得一份樣品，傳送盤隨即將裝好的樣品管從取樣器運送到毅力號的“腹部”。在毅力號內部，裝有樣品的樣品管將被傳送至適應性存儲組合。

3）適應性存儲組合。該存儲組合包括樣品處理臂、樣品管組合、樣品管封裝和其他各種工作站。當樣品傳送盤將裝載樣品的樣品管傳送到適應性存儲組合時，0.5m長的樣品處理臂隨即將該樣品管移動到處理站。處理站測量該樣品的容量并拍攝照片，密封樣品管并將其存儲起來。之后，當毅力號抵達合適的地點，樣品處理臂將密封的樣品管取出，放置在火星表面，供未來的任務獲取。

（4）機智號直升機

此外，毅力號還攜帶了一架名為機智號（Ingenuity）的火星直升機。該直升機研發(fā)和運行費用約為8500萬美元，質量為1.8kg，高0.49m，轉子系統(tǒng)直徑為1.2m，配備2對反向螺旋槳，葉片反向轉速2400r/min，大約是標準地面直升機轉速的8倍左右。直升機機身尺寸為13.6cm×19.5cm×16.3cm，4條 腿， 每 條 腿 長0.384m。該直升機配有太陽電池陣和鋰離子電池組，可為每個火星日進行一次90s的飛行提供足夠電能。直升機采用無線通信，配備有計算機、導航敏感器和2臺相機（1臺彩色、1臺黑白）。機智號將成為世界首架在火星大氣中飛行的直升機，以及首架在地外星體表面進行受控飛行的飛行器。機智號并未攜帶有效載荷，僅進行技術演示驗證。機智號安裝在毅力號的“腹部”位置，將在30天內進行1次或多次火星表面飛行，每次飛行時間不超過3min，高度在距離火星表面3～10m，每次飛行距離可達到600m左右。機智號的主要目標如下：

機智號直升機

1）在稀薄的火星大氣中進行受控飛行；

2）演示驗證小型化飛行技術，這就要求星上計算機、電子元件和其他元件的小型化，從而使得直升機的質量足夠輕；

3）自主運行，機智號利用太陽能為其電池組充電，在寒冷的火星夜晚依靠內部加熱器維持運行溫度。由于來自地球的指令是由火星車中繼到直升機，因此每次測試飛行都沒有實時輸入，需要自主運行。

任務歷程

“火星2020”探測器的發(fā)射窗口為2020年7月20日－8月11日。探測器將經歷發(fā)射、巡航、著陸、火星表面工作共4個階段。

探測器發(fā)射后57min，與運載火箭分離，開始飛向火星，進入巡航階段。在長達213天的巡航階段，探測器將進行多次軌道機動，并在最后的45天開始接近火星。在探測器進入火星大氣前10min時，巡航階段結束，EDL階段開始。7min后，毅力號將在火星表面著陸。

毅力號著陸過程

毅力號計劃于2021年2月18日在火星表面的杰澤羅環(huán)形山著陸。之后，毅力號將進行初始檢測以及為期約30天的試運行，包括部署桅桿和高增益天線、開始拍攝著陸點圖像、升級火星車飛行軟件、對所有儀器進行健康檢查、機械臂測試、短暫行駛測試、放下保護直升機的托板等操作。之后，毅力號將尋找一塊平地部署機智號直升機，毅力號將行駛至安全位置并在約30天的時間內進行一系列測試飛行。在完成直升機測試飛行后，毅力號將開始探測活動。

3 任務特點分析

首次使用火星直升機，為未來任務驗證相關技術

“火星2020”任務的一大特點是首次使用火星直升機。與地球相比，火星表面氣體非常稀薄，且晝夜溫差大，直升機必須設計得很輕，且旋翼要更大，轉速更快。工程團隊在地面已經對直升機在火星模擬條件下進行了各種受控飛行測試，并對火星直升機制定了幾項里程碑目標，包括成功發(fā)射、巡航并在火星表面著陸、從毅力號上成功部署至火星表面、在火星夜晚自動保持溫度、利用太陽電池陣自動充電、成功實施首次飛行等，一旦該直升機此次任務取得成功，則可以將該技術應用到未來的深空探測任務中，以完成拍攝分辨率更高的圖像、進行地形勘測、向其他探測地點運送有效載荷等任務，極大提高探測的效率和科學回報。

在成熟的EDL技術基礎上進行二次創(chuàng)新

毅力號的著陸技術延用了好奇號的“空中吊車”（Sky Crane）技術，從而大大降低了技術風險和研發(fā)成本。但在利用成熟技術的基礎上，NASA還進行了一系列二次創(chuàng)新，包括距離觸發(fā)器、地形相對導航、MEDLI2，以及EDL相機和麥克風等，大大提高了著陸精度，豐富了探測數(shù)據(jù)。

1）距離觸發(fā)器技術：這是一項設置降落傘展開時刻的技術，即選擇合適的時刻啟動釋放降落傘的“觸發(fā)器”，從而將著陸橢圓的范圍減小50%，達到約10km。以往的任務都是在探測器達到所需速度之后盡可能早地部署降落傘。而毅力號任務的距離觸發(fā)器則是基于探測器相對于理想著陸目標的位置來展開降落傘，也就是說降落傘的展開時間可早可晚，這取決于探測器與著陸地點的距離。如果探測器即將飛過著陸地點，那么降落傘就可能會早一些展開。如果探測器還未能到達著陸地點，那么降落傘則可能在稍后探測器飛得更近時展開。

2）地形相對導航技術：通過拍攝降落圖像、對比星載地圖、及時避障等步驟，精確操控著陸最后階段。在探測器著陸前，軌道器創(chuàng)建一張著陸地點的地圖，其中包括已知的危險要素。毅力號將該地圖存儲在其計算機中。在利用降落傘下降時，毅力號拍攝接近火星表面時的圖像。隨后，毅力號快速比較其拍攝到的圖像和星上計算機存儲的圖像，如果前方出現(xiàn)直徑為300m以內的危險區(qū)域，毅力號可改變方向飛行，最終降落在更為安全的區(qū)域。

3）MEDLI2：下一代EDL敏感器套件，測量EDL過程中隔熱罩和探測器后部的溫度和壓力。該儀器是基于之前的MEDLI設計的，MEDLI僅收集隔熱罩的數(shù)據(jù)，而MEDLI2則收集隔熱罩和探測器后部的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可協(xié)助工程師設計未來EDL系統(tǒng)的模型。

4）EDL相機和麥克風：相比好奇號，毅力號增加了多個下降相機，相機套件包括降落傘“上方”相機、下降級“下方”相機、火星車“上方”相機、火星車“下方”相機，可拍攝著陸過程中的圖像，增強公眾參與度。此前好奇號的著陸過程僅為虛擬動畫，并沒有真實的圖像或視頻。而毅力號將可以向公眾展示其降落傘在火星大氣中展開、火星車由“空中吊車”系繩牽引下降到火星表面、切斷系繩、下降級飛離等細節(jié)。此外，EDL系統(tǒng)還帶有麥克風，用于捕捉EDL過程中例如下降發(fā)動機點火等各種聲音。

演示驗證先進技術，邁出火星采樣返回任務第一步

毅力號將是首個攜帶樣品存儲系統(tǒng)登陸火星表面的探測器，將首次鉆取并存儲用于采樣返回任務的巖石核心樣品。與好奇號鉆取打磨巖石不同，毅力號將巖石芯切斷為粉筆大小，并放置在樣品管中存儲起來，等待未來的取樣車將樣品帶走，這將為未來火星采樣返回任務邁出第一步。

此外，毅力號采用了大量新技術、系統(tǒng)和儀器，例如“地形相對導航”技術、制氧技術、環(huán)境動態(tài)分析儀、MEDLI2相機等，都可用于未來的火星采樣返回甚至載人火星探測。

重視科普作用，鼓勵公眾參與

“火星2020”任務非常重視對于公眾的科普作用，鼓勵公眾參與到任務中去?！盎鹦?020”共攜帶創(chuàng)紀錄的25臺相機，其中毅力號火星車攜帶了19臺，機智號直升機攜帶2臺，后殼安裝3臺，下降級安裝1臺。除完成科學探測目標外，這些相機能夠最大程度地向公眾呈現(xiàn)探測器著陸、工作的細節(jié)，且和其他火星探測任務一樣，公眾可以在互聯(lián)網上下載毅力號拍攝的圖像。毅力號此次還攜帶了以莫斯電碼書寫“一起探索”（Explore as one）的陽極板，以及3塊刻著1090萬公眾簽名的硅芯片一同前往火星。

此外，NASA還在其任務官方網站上舉行了一系列科普活動，包括“火星問答”、“幫助NASA重塑火星車輪胎”、“毅力號背景相框”、“遨游虛擬發(fā)射現(xiàn)場”、“再次送你的名字去火星”等，極大提高了公眾對于毅力號任務的關注程度，有效調動了公眾參與的積極性。