火星車（上）

鄭永春

每逢晴朗的夏夜，如果抬頭看向東南方向，你會在低空中發(fā)現(xiàn)一顆暗紅色的星星，那就是火星。

火星的英文名為Mars，源自羅馬神話中的戰(zhàn)神馬爾斯。而在希臘神話中，它是以殘暴好戰(zhàn)著稱的奧林匹斯十二主神之一的阿瑞斯（Ares）。在北歐神話中，火星代表了戰(zhàn)神提爾（T?r）。

在中國，漢代以來的古人，一直把火星、赤星與熒惑并用。之所以把火星叫作熒惑，一方面是因為火星是紅色的，與螢火蟲的光相似;另一方面是因為火星的軌道偏心率大，在天空中時隱時現(xiàn)，讓人疑惑，捉摸不透。那么，中國古代神話中有沒有把火星與戰(zhàn)爭聯(lián)系起來呢？其實也是有的，三國時張揖編撰的《廣雅·釋天》中記載，“熒惑謂之罰星或謂之執(zhí)法”，罰和執(zhí)法，都是兵象的征兆。每隔幾十年，火星運行到東方七宿中的心宿附近，與代表帝王的心宿二（也稱大火星）相遇。在占星術(shù)中，這種叫作“熒惑守心”的天象，被認為是大兇之兆。實際上，這是太陽系中離我們很近的一顆行星，與非常遙遠的恒星，在視覺上走到了一起，與吉兇無關(guān)。

因此，在古代，無論是東方還是西方，人們都把火星跟戰(zhàn)爭、災難、死亡聯(lián)系在一起，是不祥的征兆。但神話畢竟是神話，很幸運的是，人類掌握了科學，通過一點一滴的探索，得以還原火星的真實面目。

1543年，哥白尼提出，火星是繞太陽運行的，不是繞地球運行的。

1609年，開普勒宣布，火星繞太陽運行的軌道不是圓形的，而是一個橢圓。

1610年，伽利略第一次把望遠鏡對準火星。

1659年，惠更斯通過望遠鏡觀測，得到了火星的自轉(zhuǎn)周期。

1666年，卡西尼在意大利觀測火星，繪制了火星地圖。

1877年，美國人阿薩夫·霍爾發(fā)現(xiàn)了火星的2顆小衛(wèi)星，他用戰(zhàn)神的2位隨從——福波斯和戴摩斯命名之。同年，意大利人斯基亞帕雷利把他看到的火星地貌，用直線畫成了蛛網(wǎng)狀。這些直線后來被誤讀為人工建造的運河。此后，火星成為天文學家最重要的觀測目標之一，并繪制了一系列的火星地圖。

1894年，美國富商羅威爾建立私人天文臺，以尋找火星上的運河、幻想中的火星農(nóng)業(yè)和火星人。接著，《火星紀事》《紅色星球》《火星沙》等一系列科幻小說，又把對火星的關(guān)注從科學視角，轉(zhuǎn)移到文化和社會視角。

然而，地球上的觀測總是太過遙遠。當我們還在仰望星空，以為火星遙不可及的時候，火星探測已經(jīng)走過了50多年的歷史。1960年， 蘇聯(lián)發(fā)射了人類歷史上第1 個火星探測器——火星1號，但并不成功。1965年，美國的水手4號首次成功飛越火星。迄今為止，美國、蘇聯(lián)（俄羅斯）、歐空局、日本、印度等，都曾經(jīng)探測過火星。在40多次火星探測任務(wù)中，既有環(huán)繞火星的軌道器進行遙感探測，也有登陸火星表面的著陸器進行定點探測，還有4輛小車在火星表面巡視勘察。這些火星車是如何登陸的，又是如何工作的，它們?nèi)〉昧四男┬碌陌l(fā)現(xiàn)，值此2020火星年之際，我們將分2期介紹這些火星上的小車。

探路先鋒索杰娜

2015年上映的科幻大片《火星救援》中，一個航天員乘組于2030年登陸火星。剛登陸不久，他們就遭遇了強烈的沙塵暴。為避免不測，他們緊急撤離，卻意外地與影片的主角馬克失去聯(lián)系，把他獨自留在了火星上。他長途跋涉，找到了上世紀90年代登陸的火星車，利用火星車上的天線和獨特的編碼，重新與地球上的工作人員取得聯(lián)系……

這輛出現(xiàn)在科幻片中救了馬克一命的火星車，并非憑空捏造出來的，而是1996年發(fā)射升空，1997年7月4日登陸的火星車“索杰娜”（也翻譯為“旅居者號”）。這個女性化的名字，是為了紀念一位曾經(jīng)的黑奴索杰娜·特魯斯（Sojourner Truth）。在美國南北戰(zhàn)爭期間，她積極反對奴隸制度，爭取婦女權(quán)利。

索杰娜是火星探路者號（MarsPathfinder）計劃的一部分。它是一輛小型火星車，僅10.6千克重。登陸火星前，它與著陸器合為一體。

登陸后，火星車展開，并脫離著陸器。展開后的火星車長65厘米，寬48厘米，高30厘米。搖臂轉(zhuǎn)向架可以檢測到20 厘米高的巖石。因為個子太矮，它拍攝的照片總是仰視視角，讓火星上的石塊看起來都很奇怪，顯得特別高大。

索杰娜的設(shè)計壽命只有1星期。它的上甲板鋪設(shè)了1層太陽能電池，所有的能量來源于此。它有1 根桿狀天線，由于功率太小，無法將信號直接發(fā)送給地球，只能通過著陸器轉(zhuǎn)發(fā)，才能與地球通信。

索杰娜配備了6個直徑13厘米的鋁合金車輪，輪胎和剎車系統(tǒng)則是不銹鋼材質(zhì)。每個車輪都有電動馬達，可以獨立驅(qū)動。索杰娜走得很慢，最快時也只有1 厘米/ 秒，畢竟是在荒涼而陌生的星球上獨自行駛。后來的機遇號和勇氣號、好奇號也都走得很慢。但索杰娜的一個重要缺陷是，它離不開著陸器的通信，只能一直圍繞著陸器打轉(zhuǎn)。

由于重量限制，索杰娜的探測設(shè)備也很簡單，只在火星車后部安裝了1個簡易的彩色攝像頭和1臺能譜儀。遇到要分析的巖石時，火星車必須調(diào)轉(zhuǎn)頭，讓車尾的能譜儀接觸石塊進行分析。而且，分析過程往往需耗時數(shù)小時，才能獲得較高的信噪比，識別出巖石中的化學元素。

作為第1代火星車，索杰娜雖然個子小、功能簡單，走得也不遠，但它卻為此后更復雜、功能更強大的火星車擔當起了“探路先鋒”的重任。

跑馬拉松的“勇氣”和“機遇”

“勇氣號”和“機遇號”是一對“雙胞胎”火星車，不僅外形長得一模一樣，連攜帶的探測設(shè)備也完全相同。這對小哥兒倆分別于2003年6月10日和7月7日前后腳發(fā)射，2004年1月4日和1月25日先后登陸火星。

勇氣號的目的地，是直徑約150千米的古謝夫環(huán)形山?；鹦堑谋卑肭蛑饕堑屯莸匦危习肭騽t是大片的高原，古謝夫剛好位于南北地形分界線附近。遙感圖像顯示，古謝夫的南部受到了來自馬丁峽谷的水流沖刷，那里曾經(jīng)是一個湖泊，湖底殘留著各種沉積物。科學家原本希望勇氣號登陸后，分析一下那里的巖石究竟是湖底沉積形成的，還是在干燥環(huán)境中形成，后來才被水浸泡的。也就是說，他們相信那里一定會找到水的遺跡。但是，勇氣號登陸后發(fā)現(xiàn)，那里大部分區(qū)域覆蓋著火山噴發(fā)形成的玄武巖，并沒有找到水流的遺跡。玄武巖很可能來自古謝夫北部的阿波里那火山。

機遇號的目的地，是位于火星赤道以南的子午線高原，那里的地形特別平坦。厚達數(shù)百米的灰色赤鐵礦覆蓋在阿拉伯臺地上，看起來就像火山噴發(fā)的碎屑物質(zhì)。我們知道，火星之所以是紅色的，是因為表面的含鐵物質(zhì)被氧化后呈紅色，這些物質(zhì)就是赤鐵礦，與鐵銹的成分相同。但是，火星表面除了紅色的赤鐵礦，還有一種灰色的赤鐵礦，它們的化學成分相同?？茖W家很想知道，這些灰色的赤鐵礦是怎么形成的。

勇氣號和機遇號之所以都選擇在赤道地區(qū)登陸，一是因為那里的太陽能比較充足，可以給火星車提供充足的能源。二是因為那里地勢低洼，海拔較低，可以有更長的距離留給降落傘進行減速，減速效果越好，著陸沖擊就越小。

作為第2代火星車，勇氣號和機遇號各重170千克，是索杰娜的16倍。而且，它們的個子也要高得多，桅桿上的單色導航相機的視場更寬廣，拍到的照片讓地球上的工作人員看起來就像身臨其境，可以更方便地操控火星車。

車身重了，可以攜帶的儀器設(shè)備也就多了。作為機器人“地質(zhì)學家”，勇氣號和機遇號的主要目的是分析巖石的物理特性、化學成分和礦物組成。機械臂上有1臺顯微成像儀，它的功能就像地質(zhì)學家常備的手持放大鏡，可以識別出哪些石塊是水中形成的，哪些是火山噴發(fā)形成的，哪些是小天體撞擊形成的。不僅能觀察巖石中的礦脈，還能看清楚土壤顆粒的形狀和大小，分析土壤的侵蝕過程。

因為沙塵暴的原因，幾乎整個火星表面都覆蓋了一層紅色的沙塵，走到哪里看起來都差不多。當年，索杰娜就被這層紅色的細沙給蒙蔽了，它在著陸器周圍分析來分析去，發(fā)現(xiàn)那些沙塵的成分都基本相似?！俺砸粔q，長一智”，為了揭開火星巖石的神秘面紗，科學家專門給勇氣號和機遇號配備了不銹鋼刷頭，以清除石塊表面的灰塵。同時，還配備了1 個鉆頭，可以在巖石上打磨出幾厘米深的圓孔，然后用光譜儀分析巖石成分。

最令人驚喜的是，作為一款低成本航天器，勇氣號和機遇號當初的設(shè)計壽命只有短短3個月（90個火星日，1個火星日等于24小時39分鐘）。但是，它們的表現(xiàn)遠遠超過了人們的預期。勇氣號運行至2010年，工作了6年多，跑了7.7千米。機遇號一直運行至2018年，工作了整整15年（約相當于8個火星年），是設(shè)計壽命的近60倍。而且，機遇號還是宇宙“馬拉松”比賽的冠軍，它總計跑了45.16千米，超過1個全程馬拉松的長度。