美國(guó)“毅力”號(hào)火星車的技術(shù)看點(diǎn)

蘭順正

北京時(shí)間2021年2月19日凌晨4點(diǎn)55分，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）新一代火星車“毅力”號(hào)在火星的杰澤羅隕石坑成功著陸?！耙懔Α碧?hào)于2020年7月30日發(fā)射升空，經(jīng)過(guò)六個(gè)多月飛行后抵達(dá)火星?！耙懔Α碧?hào)由美國(guó)一名初中一年級(jí)學(xué)生命名，設(shè)計(jì)上與其前輩“好奇”號(hào)火星車幾乎相同，但有不小的技術(shù)升級(jí)。得益于美國(guó)以前開(kāi)展的大量火星探測(cè)工程，“毅力”號(hào)無(wú)需在近地軌道對(duì)火星地形進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)即順利降落，其攜帶的新技術(shù)受到各方關(guān)注。

更為先進(jìn)的降落方式

火星大氣層稀薄，濃度僅相當(dāng)于地球大氣層的1%，這為人類探測(cè)器登陸造成巨大困難。來(lái)自氣體分子的摩擦將航天器底面加熱到數(shù)千度，但又需要保持足夠的摩擦力來(lái)減慢航天器速度，否則僅靠降落傘難以平穩(wěn)著陸?！耙懔Α碧?hào)是NASA迄今為止建造的體積最大、質(zhì)量最重、構(gòu)造也最復(fù)雜的火星車，造價(jià)達(dá)27億美元，大約3米長(zhǎng)、2.7米寬、2.2米高，重2300磅，大小如一輛SUV汽車。要讓這樣的“大塊頭”從1.2萬(wàn)英里的高處降落，并在7分鐘內(nèi)快速剎車，無(wú)疑是個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

“毅力”號(hào)的著陸方式和“好奇”號(hào)在2012年8月成功登陸火星時(shí)類似，不過(guò)“毅力”號(hào)的科研團(tuán)隊(duì)采用了新的“距離觸發(fā)”技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)會(huì)根據(jù)探測(cè)器相對(duì)于預(yù)定著陸位置的距離開(kāi)傘。如果探測(cè)器有可能錯(cuò)過(guò)目標(biāo)區(qū)，就要提前開(kāi)傘;如果無(wú)法準(zhǔn)確抵達(dá)目標(biāo)區(qū)，就可能需要錯(cuò)后開(kāi)傘。開(kāi)傘后，“毅力”號(hào)的“地形相對(duì)導(dǎo)航”系統(tǒng)會(huì)打開(kāi)相機(jī)拍攝地面情況，把實(shí)際“看”到的地表狀況與儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中的早期探測(cè)器拍攝和繪制的火星陸地點(diǎn)地圖進(jìn)行比對(duì)。如果“毅力號(hào)”發(fā)現(xiàn)自己正朝著危險(xiǎn)地表接近，可以改變方向，選擇一個(gè)更加安全的區(qū)域降落，而“毅力”號(hào)在尋找安全著陸點(diǎn)的過(guò)程中最遠(yuǎn)可繞行600米。

在2100米處的高空，空中吊車便會(huì)帶著“毅力”號(hào)火星車離開(kāi)降落傘，空中吊車共有八個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)操作減速。距離地面還有20米左右時(shí)，空中吊車放出一段約六米長(zhǎng)的線纜，提著火星車緩慢著陸，一旦檢測(cè)到火星車接觸到地面，空中吊車迅速切斷線纜飛向遠(yuǎn)方自行墜毀，至此完成任務(wù)。

更復(fù)雜的任務(wù)要求

“毅力”號(hào)采用了與“好奇”號(hào)同樣的核動(dòng)力系統(tǒng)，都以钚238放射性同位素釋放核能作為火星車的主要?jiǎng)恿υ?。目前“好奇”?hào)已經(jīng)靠核動(dòng)力在火星工作了3000多個(gè)火星日，NASA計(jì)劃讓“毅力”號(hào)工作687個(gè)火星日，大約相當(dāng)于兩個(gè)地球年。在這段時(shí)間中，“毅力”號(hào)的主要任務(wù)是，在火星上尋找數(shù)十億年前存在的微生物及生命跡象，研究火星地質(zhì)和氣候，進(jìn)行二氧化碳制取氧氣實(shí)驗(yàn)，等等，為人類將來(lái)探索乃至駐留火星做準(zhǔn)備。

“毅力”號(hào)的主要具體工作包括四項(xiàng)：第一，尋找可居住性，發(fā)現(xiàn)在火星遠(yuǎn)古時(shí)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(guò)去確實(shí)存在過(guò)能支持微生物生存的環(huán)境。第二，在那些適宜居住的環(huán)境中尋找可能存在的遠(yuǎn)古微生物跡象，特別是在能長(zhǎng)期保存生命跡象的特殊巖石中。第三，從數(shù)十個(gè)有希望找到生物痕跡的巖石和表土目標(biāo)上鉆取樣本，并將其存放在火星表面的具體位置。第四，測(cè)試從火星二氧化碳大氣中產(chǎn)生氧氣的能力，為未來(lái)載人登陸火星做準(zhǔn)備?；鹦谴髿夥浅Ｏ”?，且二氧化碳含量高達(dá)96%，假如能用火星大氣制氧，未來(lái)的火星基地就可以自己解決呼吸問(wèn)題，還可以支持更大規(guī)模的火星科考與資源開(kāi)發(fā)。

其中，采集火星樣品屬于關(guān)鍵任務(wù)。預(yù)計(jì)“毅力”號(hào)將鉆探39個(gè)巖壁中心，采集到的每個(gè)重約半盎司的巖石和污垢樣品都將被密封在一支超潔凈的雪茄大小的金屬管中。據(jù)悉，NASA正與歐洲航天局合作，計(jì)劃在2026年向火星發(fā)射探測(cè)器和能返回地球的無(wú)人火箭，以便取回“毅力”號(hào)保存在火星上的樣品。如一切順利，最早可在2031年把那些樣本帶回地球。

2021年2月18日，美國(guó)“毅力”號(hào)探測(cè)器成功著陸火星，稍后拍攝回傳了首批陸面圖像。

2021年2月18日，美國(guó)“毅力”號(hào)探測(cè)器成功著陸火星，稍后拍攝回傳了首批陸面圖像。

由于任務(wù)更為復(fù)雜，“毅力”號(hào)裝備了比“好奇”號(hào)更先進(jìn)、更專注于樣本采集的七種儀器。200萬(wàn)像素的Mastcam-Z相機(jī)是一個(gè)安裝在探測(cè)器桅桿上的攝像頭系統(tǒng)，擁有兩個(gè)攝像頭，可拍攝全景、立體圖像及視頻。MEDA環(huán)境動(dòng)態(tài)分析儀則類似于“氣象站”，可測(cè)量風(fēng)、溫度、塵埃及輻射量等信息，且能預(yù)測(cè)天氣。MOXIE氧氣實(shí)驗(yàn)儀將嘗試從火星大氣的二氧化碳中生產(chǎn)氧氣。名為PIXL的X射線巖石化學(xué)行星儀通過(guò)X射線測(cè)量巖石化學(xué)成分，可用來(lái)發(fā)現(xiàn)火星巖石和土壤中古代微生物留下的痕跡。RIMFAX地下實(shí)驗(yàn)雷達(dá)成像儀可檢測(cè)到地表下十米乃至更深存在的水或冰。SHERLOC拉曼熒光光譜儀可利用相機(jī)、光譜儀和激光探測(cè)有機(jī)物及礦物質(zhì)。SUPERCAM超級(jí)相機(jī)配備了兩臺(tái)激光器和四臺(tái)光譜儀，能分析出七米以外鉛筆尖大小目標(biāo)的化學(xué)和礦物成分，將會(huì)對(duì)火星上的粉塵進(jìn)行分析，以了解它們是否對(duì)人體有害。“毅力”號(hào)擁有一條2.1米長(zhǎng)的機(jī)械臂，便于執(zhí)行從巖石中提取巖芯、拍攝顯微圖像等任務(wù)，分析火星巖石和土壤元素成分。

“毅力”號(hào)還在腹部攜帶了一架名為“機(jī)智”號(hào)的無(wú)人機(jī)，該無(wú)人機(jī)重1.8公斤，由兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳提供升力，通過(guò)太陽(yáng)能電池板供電，旋轉(zhuǎn)角速度為2400轉(zhuǎn)/分鐘，水平移動(dòng)速度10米/秒，爬升速度3米/秒，預(yù)計(jì)每個(gè)火星日能提供90秒左右的飛行時(shí)間?！皺C(jī)智”號(hào)將在一個(gè)月的試驗(yàn)行動(dòng)中開(kāi)展一系列短時(shí)飛行任務(wù)，這也是人類首次在另一星球上測(cè)試地對(duì)地動(dòng)力飛行?；鹦侵亓χ挥械厍虻娜种?，但是由于火星氣體稀薄，“機(jī)智”號(hào)相當(dāng)于在地球十萬(wàn)英尺的高空飛行，若獲成功，有望為未來(lái)利用旋翼飛機(jī)對(duì)火星開(kāi)展廣泛的空中探測(cè)做出實(shí)質(zhì)性探索。

更敏感的著陸點(diǎn)

此次“毅力”號(hào)的著陸點(diǎn)是位于火星赤道以北大約18度的杰澤羅隕坑。科學(xué)家歷時(shí)五年，從60個(gè)候選地點(diǎn)中進(jìn)行篩選，最終確定了杰澤羅隕坑。這個(gè)隕坑長(zhǎng)寬分別為8公里和6.4公里，所在地區(qū)為伊西底斯平原，在35億年前的火星遠(yuǎn)古時(shí)期可能是個(gè)巨大的湖泊。由于當(dāng)時(shí)有河流注入和流出，所以在“河口”地帶形成了三角洲，這樣的三角洲可能保留著較多生物遺跡，地球上的情況就是如此。如果在火星上也是這樣，那么微生物的遺跡就有可能在曾經(jīng)的湖底或岸線的沉積物中被發(fā)現(xiàn)。“毅力”號(hào)在杰澤羅隕坑著陸，會(huì)有更多機(jī)會(huì)找到微生物遺跡。此外，杰澤羅隕坑地質(zhì)條件多樣，能為科學(xué)家提供各種不同的巖石樣本，進(jìn)而展現(xiàn)火星歷史上各個(gè)時(shí)期的不同特征。

在成功著陸后，“毅力”號(hào)將在三角洲上行駛，對(duì)那里的沉積物進(jìn)行探測(cè)，然后前往古隕坑湖的岸線，探測(cè)隕坑邊緣的巖石。這些巖石在隕坑形成時(shí)是熾熱的，科學(xué)家猜測(cè)古時(shí)候可能存在過(guò)溫泉。尋找與這些古溫泉有關(guān)的沉積物，將是“毅力”號(hào)尋找火星古代生命痕跡過(guò)程中的一個(gè)重要目標(biāo)。

（作者為遠(yuǎn)望智庫(kù)特約研究員、察哈爾學(xué)會(huì)研究員、中國(guó)指揮與控制學(xué)會(huì)會(huì)員）