火星漫游機(jī)器人成長(zhǎng)記

張唯誠

從“小不點(diǎn)”到“大力神”

遨游火星的主角是火星漫游機(jī)器人，它們又被稱為“火星漫游車”，是火星上不辭辛苦的“原野地質(zhì)學(xué)家”。正因?yàn)樗鼈兊拇嬖冢祟惒旁诘厍蛑獾牧硪活w行星上進(jìn)行了極為精細(xì)的原野考察。如今，這種探測(cè)方式不再局限于火星。可以預(yù)見，在未來，對(duì)星球的地面漫游考察將成為人類探索太陽系的一種重要方式。

人類的第一個(gè)火星漫游機(jī)器人被命名為“索杰納”，它于1997年7月4日被“火星探路者號(hào)”飛船送到了火星的阿瑞斯平原上?！八鹘芗{”只有6個(gè)輪子，個(gè)頭很小，由太陽能電池提供能量，前后均有照相機(jī)，亦可對(duì)附近目標(biāo)拍攝特寫。它先將獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街懫魃?，再由著陸器傳回地面控制中心?/p>

“索杰納”在火星上工作了3個(gè)月，發(fā)回了大量科學(xué)數(shù)據(jù)，成功完成了火星漫游的開創(chuàng)性使命，給人們留下了深刻印象。它的成功又強(qiáng)化了科學(xué)家們指派更先進(jìn)的漫游機(jī)器人前往火星的愿望，直接導(dǎo)致了后面幾代火星漫游機(jī)器人的誕生，如“勇氣號(hào)”、“機(jī)遇號(hào)”、“好奇號(hào)”火星車等。雖然這些火星漫游車都比“索杰納”本領(lǐng)大得多，但都是在“索杰納”的基礎(chǔ)上一步步“進(jìn)化”而來的。

這樣的“進(jìn)化”表現(xiàn)在諸多方面：例如“索杰納”是靠太陽能電池供電的，這種動(dòng)力系統(tǒng)為后來多數(shù)火星漫游車所繼承，其中“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星車就是成功典范。它們爬山下坑，跨溝越野，成功找到了火星上曾存在水的確鑿證據(jù)。但火星上環(huán)境惡劣，陽光微弱，時(shí)常沙塵彌漫，太陽能電池效能大受影響，因而“好奇號(hào)”就改用了核能，這輛汽車大小的漫游機(jī)器人裝備了放射性同位素?zé)犭娛桨l(fā)電機(jī)。這種動(dòng)力方式也被“毅力號(hào)”火星車所采用。

然而，使用核動(dòng)力存在風(fēng)險(xiǎn)，環(huán)保專家和普通民眾對(duì)使用核燃料都心懷恐懼，這種恐懼曾經(jīng)幾乎使“好奇號(hào)”面臨夭折。好在一切順利，“好奇號(hào)”得以成功抵達(dá)火星。對(duì)于火星車，太陽能和核能各有優(yōu)劣，都是可用的動(dòng)力方式。

“索杰納”只有10千克重，但后來的火星車逐漸地“長(zhǎng)大”了。大致來說，它們都借鑒了人體結(jié)構(gòu)，如將照相機(jī)裝在很像“桅桿”的立柱上，與人眼的高度差不多?！笆帧笔菐в卸喾N工具和儀器的組件，具有與人體肩、肘和腕關(guān)節(jié)相似的結(jié)構(gòu)，因而十分靈活。它們也越來越有力量了，如“好奇號(hào)”的重量是“勇氣號(hào)”或“機(jī)遇號(hào)”的3倍，長(zhǎng)度是它們的2倍，能攀爬60度的斜坡，設(shè)計(jì)的活動(dòng)范圍達(dá)到20千米，比“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星車延長(zhǎng)了1倍有余。

成為“火星專家”

隨著個(gè)頭的增加，火星車的本領(lǐng)也越來越強(qiáng)了，它們?cè)诨鹦巧系目蒲心芰σ惨淮纫淮鷱?qiáng)。當(dāng)初“索杰納”搭載的儀器很有限，但后來的火星車搭載的儀器便越來越多，也越來越復(fù)雜精密了。例如“好奇號(hào)”就搭載了10多種儀器，其中的“火星樣品分析儀”最引人注目。它是一個(gè)小型的車載實(shí)驗(yàn)室，由質(zhì)譜儀、色譜儀、光譜儀等精密儀器組成，負(fù)責(zé)研究火星上的碳化學(xué)，是專為尋找火星土壤中的有機(jī)質(zhì)而研制的。

截至目前，火星車都肩負(fù)著2個(gè)最主要的任務(wù)，那就是尋找水和生命存在的證據(jù)。通過歷代火星車的努力，人們對(duì)火星地表有了初步了解。人們認(rèn)為，在火星地表沉積層形成的過程中，水扮演了重要的角色。目前，人們看到的火星地貌特征就是液態(tài)水塑造的。雖然現(xiàn)在的火星非常寒冷，但在過去，火星的氣候可能很溫暖。

種種跡象表明，在35億-38億年前，火星表面的大部分地區(qū)是被海洋覆蓋著的。人們就此推測(cè)，火星有可能先于地球出現(xiàn)生命，這為地球生命的起源提供了一種新視角。

然而，這舒適的環(huán)境并沒有保持到今天。大約在距今35億年前，火星的氣候發(fā)生了變化，火星變成了一顆干燥的星球。那么，火星到底還有沒有生命存在？在地球上，微生物大量制造甲烷氣體，而在火星的表面，火星車也監(jiān)測(cè)到了甲烷。它們來自哪里？是不是也是微生物制造的？對(duì)于這個(gè)問題，目前尚無明確的答案。甲烷可以來自地下，也可以是行星塵埃的產(chǎn)物，所以有甲烷并不意味著有生命，但也至少顯示了存在生命的可能性。對(duì)于甲烷的來源，下一代火星車將繼續(xù)尋找答案。

力當(dāng)“火星生存”的強(qiáng)者

火星上的環(huán)境非常惡劣，不僅地面崎嶇，而且還有很多松散的沙土，所以人們?cè)谠O(shè)計(jì)火星漫游車時(shí)，如何讓火星車征服火星上的地面非常重要。例如，“索杰納”只能探索它著陸的阿瑞斯平原上很有限的范圍，而“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星車的表現(xiàn)大有突破，“好奇號(hào)”火星車則有了更好的成績(jī)。“好奇號(hào)”火星車的輪子安裝在細(xì)長(zhǎng)的腿上，周到的設(shè)計(jì)使它不畏橫亙于路上的巖石，強(qiáng)勁動(dòng)力則使它善于攀爬沿途的高坡。

然而，僅僅如此是不夠的。由于火星上的環(huán)境非常惡劣，未來的火星車一定要更加強(qiáng)悍，更有能耐。例如，傳統(tǒng)的輪式火星漫游車在駛過軟土和沙地時(shí)經(jīng)常遭遇困境。2009年，“勇氣號(hào)”火星車就因困在了火星上的一個(gè)沙坑中而終結(jié)了使命。為了應(yīng)對(duì)火星上討厭的沙土，有科學(xué)家為未來的火星車設(shè)計(jì)了可以靈活移動(dòng)的輪子，這些輪子可以上下移動(dòng)，也可以前后掃動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家們測(cè)試了這種漫游車的迷你型塑料版本，他們讓火星漫游車以不同的方式擺動(dòng)輪子，有時(shí)旋轉(zhuǎn)，有時(shí)左右搖擺，這些動(dòng)作可以幫助漫游車緩慢地駛過松軟的土壤。

當(dāng)遇到斜坡時(shí)，這種火星漫游車還會(huì)改變策略，使出更高的技巧繼續(xù)前進(jìn)。只見它轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)前輪，把前面的沙子推到肚子下，從而有效降低了斜坡的傾斜度。與此同時(shí)，它的后輪也開始擺動(dòng)，這種動(dòng)作把火星漫游車下面的沙土排出來并送到漫游車的后面。這樣一來，漫游車就可以慢慢地爬上斜坡了。有科學(xué)家認(rèn)為，也許未來的漫游車會(huì)以這種設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，該設(shè)計(jì)既可幫助火星漫游車征服火星上崎嶇的沙地，也可幫助月球漫游車穿越月球兩極附近的軟土斜坡。

火星新秀來了

2020年，人們又迎來了一個(gè)新的火星窗口。2020年7月23日，我國(guó)第一個(gè)火星探測(cè)器“天問一號(hào)”踏上了前往火星的征程，它的計(jì)劃是實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)“繞、落、巡”的“三級(jí)跳”。這是一次“一舉三得”的火星探測(cè)方式，起點(diǎn)高、效益高、挑戰(zhàn)大。目前只有美國(guó)完成過“一舉兩得”的探火方式，即“落”和“巡”。如果此次任務(wù)圓滿完成，我國(guó)將在深空探測(cè)能力上實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，成為世界上第三個(gè)探測(cè)器在火星上著陸和第二個(gè)探測(cè)器在火星上巡視的國(guó)家。在這“三級(jí)跳”的任務(wù)中，“巡”就是將一部火星漫游車發(fā)送到火星上，并通過火星車的“巡視”來研究這顆紅色星球。

通常，火星漫游車的著陸點(diǎn)是要經(jīng)過仔細(xì)挑選的。因?yàn)槌艘m合火星漫游車的巡視外，人們還要考慮它的探索價(jià)值。我國(guó)漫游車將降落在火星北半球的烏托邦平原上。烏托邦其實(shí)是一個(gè)巨大的盆地，可能由劇烈的撞擊事件所致，呈扇形且地勢(shì)低洼，有利于水的儲(chǔ)存，也是火星上最大的平原，直徑達(dá)3200千米。研究顯示，這里的地下是一個(gè)巨大的水冰儲(chǔ)存區(qū)，其含水層由大量水冰和少量石塊等組成，通常是漫游機(jī)器人找水的理想場(chǎng)所。

然而，找水只是我國(guó)火星漫游車肩負(fù)的諸多工作中的一項(xiàng)?！疤靻栆惶?hào)”的火星之行是一次綜合性的火星考察，它的環(huán)繞器攜帶了7臺(tái)科學(xué)載荷，火星漫游車則攜帶了6臺(tái)科學(xué)載荷，分別是火星表面成分探測(cè)儀、多光譜相機(jī)、地形相機(jī)、火星車次表層探測(cè)雷達(dá)、火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀和火星氣象測(cè)量?jī)x?；鹦锹诬嚨竭_(dá)目的地后，將作為這次火星探測(cè)行動(dòng)的重要組成部分，參與火星的全面科考。

前文曾提到，火星上環(huán)境惡劣，塵暴肆虐。但塵暴的發(fā)生機(jī)理一直未能真正解開，因?yàn)樗桥c火星大氣活動(dòng)等諸多因素密切相關(guān)的。同時(shí)，在火星上防范和預(yù)測(cè)塵暴更是非常困難，因?yàn)槿祟悓?duì)火星天氣的數(shù)據(jù)采集十分有限，所以在火星上進(jìn)行“天氣預(yù)報(bào)”是很不容易的。然而，隨著人類對(duì)火星探測(cè)活動(dòng)的日益頻繁，預(yù)測(cè)火星天氣，例如火星塵暴的發(fā)生，已經(jīng)顯得越來越重要了。為此，我國(guó)的火星漫游車攜帶了“火星氣象測(cè)量?jī)x”，目的就是開展火星氣象領(lǐng)域工作。這部?jī)x器將測(cè)量火星的大氣溫度、壓力和風(fēng)力，收集足夠的氣象數(shù)據(jù)，開展火星氣象研究。

除此之外，這部火星漫游車還要從事包括火星形態(tài)、地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)、空間環(huán)境、土壤和水冰分布等其他很多方面的科學(xué)考察。它在火星上的活動(dòng)能力和生存能力必須經(jīng)受得住火星上嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)。為此，科學(xué)家們?yōu)樗O(shè)計(jì)了盡可能強(qiáng)勁持久的動(dòng)力系統(tǒng)，它的太陽能電池板擁有很高的光電轉(zhuǎn)換效率，其中有一種被稱為“集熱窗”的設(shè)備可以直接吸收太陽能。在其他方面，科學(xué)家們也進(jìn)行了周密考慮，其目的就是讓這個(gè)火星漫游機(jī)器人盡可能強(qiáng)悍一些、能干一些、智慧一些。

按照計(jì)劃，我國(guó)的火星車將在火星表面工作90多天。在這期間，它將用其搭載的科學(xué)載荷開展勘測(cè)地形地貌、探測(cè)火星土壤結(jié)構(gòu)、分析火星表面成分等諸多科學(xué)探測(cè)工作，并將圖像傳回地球，這得益于位于火星車桅桿頂端的全景相機(jī)和識(shí)別礦物質(zhì)成分的多光譜相機(jī)。

總之，火星漫游機(jī)器人抵達(dá)火星后都是非常忙碌的，它們的工作涉及方方面面，面臨的問題也是林林總總，它們是火星上的科學(xué)英雄。目前“天問一號(hào)”正在飛往火星的征途上。假若著陸成功，我國(guó)的火星漫游機(jī)器人將首次行走在火星這顆紅色的星球上。讓我們一起祈祝它一舉成功吧！