美國毅力號火星車成功著陸火星

王帥 李鵬 郭文博 張揚眉

（1北京空間科技信息研究所 2中國空間技術研究院發(fā)展計劃部）

美國東部時間2021年2月18日15:55，“火星2020”（Mars 2020）探測器攜帶毅力號（Perseverance）火星車，在經(jīng)歷“恐怖七分鐘”的進入、下降和著陸（EDL）過程后，最終成功著陸在杰澤羅（Jezero）環(huán)形山。接下來，毅力號將在火星表面工作至少1個火星年（687個地球日）。該任務的科學探測目標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，供未來的火星任務帶回地球。

1 任務基本情況及歷程

“火星2020”任務屬于美國國家航空航天局（NASA）“火星探測計劃”，任務目標主要是探測火星的宜居性，尋找生命存在的痕跡，采集樣品等待后續(xù)任務帶回地球，測試火星大氣制氧技術，為未來載人任務做準備。“火星2020”任務由美國噴氣推進實驗室（JPL）管理，成本高達27.713億美元，其中規(guī)劃成本為3.976億美元，研制與發(fā)射成本為20.362億美元，運行成本為3.375億美元。

“火星2020”探測器由三部分組成，包括巡航級、EDL系統(tǒng)和毅力號火星車。毅力號是NASA迄今為止建造的體積最大、質量最重的火星車，繼承了好奇號（Curiosity）的設計，質量為1025kg。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。

2020年7月30日，“火星2020”探測器搭乘宇宙神－5－541（Atlas－5－541）運載火箭從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射。經(jīng)歷近7個月的巡航階段后，探測器到達火星。

按照飛行計劃，2021年2月18日15：38，巡航段分離；15：48，探測器以約19500km/h的速度進入火星大氣層頂部；15：49，探測器底部熱度達到峰值，約為1300℃；15：52，在超音速狀態(tài)下打開降落傘，準確的時間基于新的“距離觸發(fā)器”（Range Trigger）技術；開傘后約20s，EDL系統(tǒng)底部分離，火星車可以使用雷達確定距地面的距離，并利用“地形相對導航”（Terrain-Relative Navigation）技術尋找安全著陸點；15：54，EDL系統(tǒng)中連接降落傘的后殼分離，“噴氣背包”（Jetpack）利用反推發(fā)動機減速并飛向著陸地點；15：55，毅力號火星車利用“空中吊車”（Sky Crane）以大約2.7km/h的速度著陸在火星表面。

毅力號著陸過程

上述時間為地面團隊收到信號的時間，對于“火星2020”探測器而言，這些時間需要提前11分22秒（地火通信所需時間）。

著陸后，毅力號開始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，然后毅力號將行駛至安全位置，機智號則將在約30天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。

2 著陸和探測特點分析

全球第九次成功著陸火星，迄今為止最大火星巡視器

火星著陸探測是當前難度最高的航天任務之一，成功率不到50%。截至2021年2月，全球共實施了47次火星探測任務，其中著陸和巡視任務為22次，包括火衛(wèi)一（Phobos）采樣返回任務“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）。在已實施的21次火星著陸和巡視任務中，有15次成功進入火星大氣，僅有9次任務完全成功著陸。美國實施的10次著陸任務全部進入火星大氣，僅失敗1次，其余9次全部成功；蘇聯(lián)/俄羅斯實施的9次著陸任務僅有3次進入火星大氣，火星－3（Mars－3）成功完成了著陸，但只返回了20s的信息，并不算完全成功；歐洲實施的2次著陸任務全部進入火星大氣，但均以失敗告終。

“火星2020”探測器成功完成了全球第九次火星著陸，再次證明了美國在火星探測，特別是EDL技術方面的絕對領先。著陸火星的毅力號火星車質量為1025kg，是迄今最大的火星巡視器。在此之前，共有4輛火星車成功著陸火星，分別為10.5kg的索杰納號(Sojourner)、185kg的機遇號（Opportunity）和勇氣號（Spirit）、以及899kg的好奇號。

重視宜居性和生命探測，著陸地點充滿機遇和挑戰(zhàn)

美國火星探測的科學戰(zhàn)略演化

經(jīng)歷了半個世紀的探測，人類對于火星基本物理參數(shù)、空間與表面環(huán)境、地形地貌與地質結構、表面物質等方面都取得了一定的認知，已經(jīng)從全球遙感探測向表面和巡視探測進行轉變，目標也從探測行星環(huán)境向尋找水過渡，進而轉變?yōu)閷ふ一鹦巧圹E。2011年，NASA宣布美國的火星探測從“追蹤水的痕跡”正式轉變?yōu)椤八褜ど盘枴薄?011年“火星科學實驗室”（MSL）之后任務的科學戰(zhàn)略目標主要是“尋找生命信號”、“探測適居性”和“為載人探測做準備”?！盎鹦?020”的任務目標完全對應于上述科學戰(zhàn)略目標，除保存樣品之外，主要是探測火星宜居性、尋找生命痕跡以及為未來載人火星任務做準備。

為完成科學目標，“火星2020”攜帶的毅力號火星車的著陸地點為杰澤羅環(huán)形山，該地區(qū)經(jīng)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(jīng)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)。

杰澤羅環(huán)形山是尋找古代微生物生命跡象的理想場所，但由于該地區(qū)地勢不平坦，存在著陡峭的懸崖、沙子、巨石和撞擊坑，對于著陸精度提出了更高的要求。

第二次采用“空中吊車”，引入新技術提高著陸精度

傳統(tǒng)的火星減速方式都采用了大氣制動、降落傘和制動發(fā)動機相結合的方式，而質量較大的好奇號和毅力號采用了“空中吊車”技術?！翱罩械踯嚒毕啾扔诒池摶鹦擒嚨闹懫鞫裕恍枰彌_機構、火星車駛離著陸器的系統(tǒng)等，對于結構強度要求也低，因此可以有效降低著陸系統(tǒng)的質量，提高火星車質量在整個探測器系統(tǒng)的比重；“空中吊車”還可以持續(xù)工作到火星車著陸，避免發(fā)動機對火星表面的影響，減小最終著陸的速度并提高著陸精度；同時，“空中吊車”與火星車的組合體重心較低，更加穩(wěn)定，不容易發(fā)生側翻，同時對于地形要求也低，可以提高著陸的安全性。

由于毅力號的著陸地點—杰澤羅環(huán)形山布滿陡峭的懸崖、沙子、巨石和撞擊坑，對著陸精度有著更高的要求，因此NASA在利用好奇號成熟著陸技術的基礎上，進行了一系列二次創(chuàng)新，包括“距離觸發(fā)器”和“地形相對導航”，有效提高了著陸精度?！熬嚯x觸發(fā)器”技術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?！暗匦蜗鄬Ш健奔夹g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，可使著陸器具有“眼睛和地圖”的功能。

采集并存儲火星樣品，驗證多項新型探測技術

下降過程中的毅力號火星車

機智號直升機

毅力號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，計劃采集至少30份樣品。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。同時，毅力號攜帶的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。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。毅力號的著陸還將為NASA的洞察號（Insight）任務提供幫助，其著陸產生的地震信號，可能被洞察號探測到，這也將是首次利用一個探測器“傾聽”另一個探測器著陸在地外天體上。

3 小結

作為NASA最新的旗艦級火星探測任務，“火星2020”代表了美國最高的技術水平，其著陸采用的多項新型技術以及后續(xù)試驗的火星直升機和火星大氣制氧技術，都將為未來無人或載人火星探測奠定基礎，是當前需要重點關注的技術。“火星2020”邁出了美歐火星采樣返回計劃的第一步，NASA和歐洲航天局（ESA）正積極推動后續(xù)任務發(fā)展，火星采樣返回可能成為主要航天大國新的競爭焦點。

毅力號傳回的首張彩色火星表面照片