比起前輩們，毅力號(hào)先進(jìn)在哪里？

在兩百年前的望遠(yuǎn)鏡時(shí)代，只有等到每 26 個(gè)月一次的「火星沖」，人們才能看到火星的面貌——還未必能看清。到了探測(cè)器的時(shí)代，歷代火星車(chē)正在火星表面，隨時(shí)隨地地向地球發(fā)回火星最新的數(shù)據(jù)、照片和聲音。

去年七月，美國(guó)宇航局將一個(gè)神奇的飛行器送往了將近 3 億英里外的火星，并給它取名為「毅力號(hào)」。經(jīng)過(guò)六個(gè)半月的飛行，毅力號(hào)以每小時(shí) 12100 英里的速度到達(dá)了火星大氣層的邊緣，并成功降落。

這次發(fā)射總耗資約 30 億美金，其中毅力號(hào)的建造、發(fā)射、著陸與運(yùn)營(yíng)費(fèi)用就高達(dá) 27 億美金。這使得毅力號(hào)超過(guò)造價(jià)25億美金的好奇號(hào)，成為人類(lèi)歷史上最貴的火星車(chē)。

資金的大量投入沒(méi)有白費(fèi)，毅力號(hào)的落點(diǎn)較之前幾代火星車(chē)更為精準(zhǔn)、智能，它所攜帶的人類(lèi)歷史上第一架火星直升機(jī)開(kāi)拓了觀測(cè)火星的全新視角。更為重要的是，毅力號(hào)所開(kāi)啟的“火星樣品返回”計(jì)劃，意味著人們對(duì)于火星生命的探索進(jìn)入了新階段。

愈發(fā)準(zhǔn)確的落點(diǎn)

「降落」，是任何登陸火星的飛行器，都必須經(jīng)歷的驚險(xiǎn)第一步。

人類(lèi)自 1960 年以來(lái)先后開(kāi)展了 40 多次火星探測(cè)，成功率并不高，此前只有 8 次任務(wù)成功著陸火星并順利開(kāi)展探測(cè)工作。

火星著陸的難度主要在于兩個(gè)方面：一是火星質(zhì)量大導(dǎo)致著陸的加速度大，需要探測(cè)器有更好的減速能力；二是從進(jìn)入火星大氣開(kāi)始，探測(cè)器無(wú)法與地球通信，需要通過(guò)自主控制完成著陸。

由于毅力號(hào)有 1025 千克重，是迄今為止最重的火星車(chē)，其著陸時(shí)減速的難度就更上一層。為了解決這一難題，毅力號(hào)著陸采取了和好奇號(hào)相同的「空中吊車(chē)」技術(shù)。

在進(jìn)入著陸的最后階段后，空中吊車(chē)會(huì)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步降速，在到達(dá)一定距離后，釋放火星車(chē)接觸地面，最后空中吊車(chē)完成使命，切斷尼龍繩和線纜，自行飛走墜毀。

人類(lèi)第一輛火星車(chē)旅居者號(hào)個(gè)頭只有微波爐大小，是由探路者號(hào)著陸器攜帶著降落到火星表面，使用氣囊完成降落后的緩沖減速，在著陸火星的最后階段借助氣囊多次彈跳來(lái)實(shí)現(xiàn)緩沖，最終安全停留在火星表面。

之后的勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星車(chē)，體型超過(guò) 200 千克，攜帶的儀器相對(duì)復(fù)雜，采用火箭反推和氣囊彈跳完成最后的減速。

相較于前幾代火星車(chē)，「空中吊車(chē)」技術(shù)使得好奇號(hào)和毅力號(hào)以更為安全穩(wěn)妥的方式著陸。

然而，在地球上測(cè)試「空中吊車(chē)」的重要組件并不是件容易的事情，因?yàn)榛鹦谴髿獾暮穸戎挥械厍虻陌俜种?，引力只有地球的三分之一。要在地球?a href="http://www.delux-kingway.cn/analog/" target="_blank">模擬火星的落地環(huán)境，雖然能做到，但模擬越精準(zhǔn)費(fèi)用越高，這也是為什么火星車(chē)的造價(jià)越來(lái)越高的原因之一。

對(duì)比 2021 年的毅力號(hào)和 2012 年的好奇號(hào)，二者雖然都采用「空中吊車(chē)」技術(shù)，但毅力號(hào)顯然更為先進(jìn)。毅力號(hào)采用智能辨別系統(tǒng)選擇著陸點(diǎn)之后分離降落傘，而不再像好奇號(hào)那樣機(jī)械定時(shí)、固定式分離減速傘，從而讓毅力號(hào)自主性軟著陸變得更安全、更智能，落點(diǎn)也愈發(fā)準(zhǔn)確。

23 日，美國(guó)宇航局 （NASA） 發(fā)布了由毅力號(hào)著陸艙和火星車(chē)拍攝的著陸視頻，以第一視角再現(xiàn)了著名的「恐怖七分鐘」著陸過(guò)程，這是有史以來(lái)首次被記錄下的火星著陸視頻。

盡管此前登陸火星的探測(cè)器已經(jīng)發(fā)回了大量的遙測(cè)數(shù)據(jù)和圖像，但此前發(fā)射的探測(cè)器均沒(méi)能記錄下著陸過(guò)程中的珍貴影像。而此次傳回的火星著陸視頻，為人類(lèi)進(jìn)一步了解「恐怖七分鐘」和改進(jìn)未來(lái)的著陸技術(shù)，提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

不一樣的視角

經(jīng)歷了恐怖的落地瞬間，火星車(chē)得以在更近的距離上「觀察」這個(gè)紅色星球。

目前，對(duì)行星的探測(cè)手段主要有環(huán)繞探測(cè)、原位探測(cè)和巡視探測(cè)三種。

環(huán)繞探測(cè)主要在環(huán)繞軌道上進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙感探測(cè)，原位探測(cè)是利用著陸的探測(cè)器在固定范圍內(nèi)展開(kāi)探測(cè)，巡視探測(cè)即為火星車(chē)在火星表面進(jìn)行觀測(cè)。

這三種探測(cè)方式各有局限。環(huán)繞探測(cè)清晰度受限，原位探測(cè)范圍受限，巡視探測(cè)雖然較為靈活，但火星車(chē)的行走范圍依舊有限。以機(jī)遇號(hào)」火星車(chē)為例，它在 14 年的工作過(guò)程中總共僅移動(dòng)了 45 公里，相對(duì)于火星兩萬(wàn)多公里的周長(zhǎng)來(lái)說(shuō)顯得微不足道。

為了突破種種觀測(cè)困境，美國(guó)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室展開(kāi)了新的嘗試——「火星偵查直升機(jī)」。

人類(lèi)歷史上第一臺(tái)火星直升機(jī)「機(jī)智號(hào)」跟隨毅力號(hào)一同登上了火星。這架直升機(jī)無(wú)法直接和地球聯(lián)絡(luò)，要通過(guò)毅力號(hào)進(jìn)行信息接力傳輸，因此，不能飛離毅力號(hào)太遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)航程僅 300 米，最遠(yuǎn)通訊距離為 1 公里。

雖然目前的火星直升機(jī)看起來(lái)功能尚不成熟，但噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)這一突破，專門(mén)為火星直升機(jī)研發(fā)了專門(mén)的模擬裝置。

直升機(jī)能夠升空飛行，靠的是旋翼在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與空氣相互作用產(chǎn)生的升力。而火星表面的大氣無(wú)論是密度還是成分都與地球不同，因此，火星直升機(jī)與地球直升機(jī)在構(gòu)造上將有很大不同。其次，火星上的重力加速度僅為 3.7 米每平方秒，因此同樣質(zhì)量的物體在火星上受到的重力將比在地球上小很多。

為了更真實(shí)地模擬火星環(huán)境，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，模擬裝置要先抽走內(nèi)部的空氣，再注入與火星大氣成分相同的氣體，使裝置內(nèi)部的氣體密度和氣壓與火星表面基本相當(dāng)。為了在地球上模擬火星上所受到的重力，這個(gè)裝置還用一個(gè)連接到直升機(jī)頂部的機(jī)動(dòng)吊繩提供拉力，抵消一部分重力作用。

如果機(jī)智號(hào)在首次飛行期間成功起飛并懸停，那么該項(xiàng)目 90% 以上的目標(biāo)都將實(shí)現(xiàn)。如果旋翼飛機(jī)成功著陸并保持可操作性，最多可以嘗試四次以上的飛行，每一次都是在最后一次成功的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

火星直升機(jī)比軌道上的人造衛(wèi)星分辨率更高，而且比火星車(chē)更靈活。

機(jī)智號(hào)將提供一種獨(dú)特的視角，在目前高空的軌道飛行器或地面上的火星車(chē)無(wú)法提供的角度上，傳輸高清晰圖像并進(jìn)行觀察。它將為未來(lái)對(duì)這顆紅色星球的探索增加一個(gè)空中維度。

水、有機(jī)物與生命

幾十年來(lái)，各種火星探測(cè)器、火星車(chē)在地球上進(jìn)行層層測(cè)試，在火星大氣層歷經(jīng)考驗(yàn)，在不同維度上觀測(cè)火星，無(wú)非想要證實(shí)一點(diǎn)：火星上是否存在或曾經(jīng)存在生命？

這幾十年的努力是從尋找「水」開(kāi)始的。

2004 年 1 月，勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)相繼著陸在火星的古謝夫撞擊坑和子午平原，它們的目標(biāo)是探尋火星上的冰。

2012 年 8 月，好奇號(hào)成功著陸于火星赤道一帶的蓋爾撞擊坑中，它的發(fā)現(xiàn)一度給了我們無(wú)盡的希望。

好奇號(hào)通過(guò)拍照等遙感方式遠(yuǎn)程探測(cè)火星表面的地貌、成分，在火星上鉆孔，直接采樣分析火星樣本的成分，發(fā)現(xiàn)了噻吩（C4H4S）、芳香族和脂肪族等復(fù)雜有機(jī)物在火星上的存在。

雖然上述的探測(cè)結(jié)果看起來(lái)收獲滿滿，但這些早期的任務(wù)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何決定性的生命跡象，NASA 行星科學(xué)部主任洛里·格萊茲 （Lori Glaze） 說(shuō)：“我們現(xiàn)在知道，我們當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)并不是探測(cè)生命存在的正確方法?！?/p>

畢竟火星車(chē)上的儀器再先進(jìn)，也沒(méi)有在地球?qū)嶒?yàn)室里研究得全面。

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）準(zhǔn)備再進(jìn)一步，展開(kāi)「火星樣品返回（MSR）」任務(wù)。該計(jì)劃設(shè)想到 2031 年，從火星上將樣本取回來(lái)。

MSR 工作的核心是在兩米長(zhǎng)的機(jī)械臂末端安裝一個(gè)攝像機(jī)、分光鏡和鉆探設(shè)備的炮塔。科學(xué)家將利用炮塔來(lái)確定和檢索具有天體生物學(xué)意義的物質(zhì)，將其裝進(jìn)多達(dá) 43 個(gè)試管，然后儲(chǔ)存起來(lái)，供后續(xù)飛行任務(wù)取回。

具體實(shí)現(xiàn)探測(cè)和檢索功能的是以名偵探「夏洛克·福爾摩斯」命名的儀器 SHERLOC。SHERLOC 安裝在毅力號(hào)機(jī)器臂前端，包括一個(gè)紫外激光拉曼光譜儀和一個(gè)昵稱「華生」的相機(jī)，可以協(xié)同工作，精細(xì)探測(cè)火星表面的礦物成分、有機(jī)分子和可能的生命痕跡。

2026 年，NASA 將發(fā)射樣本回收著陸器（SRL）。SRL 將包括一個(gè)固定不動(dòng)的著陸器、一個(gè) ESA 提供的樣本回收車(chē)（SFR）和一個(gè)高度不超過(guò) 3 米的火星上升運(yùn)載火箭（MAV）。

NASA 火星取樣返回任務(wù)負(fù)責(zé)人布萊恩·穆?tīng)柡诘卤硎?，MAV 必須要在低溫和多灰塵的火星環(huán)境中生存下來(lái)，然后還要成功發(fā)射并進(jìn)入火星軌道，「所以，這是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的發(fā)射場(chǎng)景」。

天問(wèn)一號(hào)副總設(shè)計(jì)師賈陽(yáng)則向極客公園表示，樣本取回的降落難度也十分大，「運(yùn)回時(shí)著陸地點(diǎn)要求比較精確，從火星那么遠(yuǎn)的地方運(yùn)回，要求落到一個(gè)地方并不容易?！?/p>

目前，火星取樣返回任務(wù)仍然處于概念階段，該項(xiàng)目還沒(méi)有正式列入 NASA 或 ESA 的預(yù)算中。

但再難的事情也總會(huì)被突破。就像對(duì)于拿著望遠(yuǎn)鏡對(duì)火星遙遙相望的人來(lái)說(shuō)，著陸到火星表面近距離觀測(cè)是無(wú)法想象的，樣本返回難度再大也會(huì)隨著技術(shù)的發(fā)展被攻克。正如同「毅力號(hào)」的名字所寄予的希望那樣，堅(jiān)持不懈地研發(fā)、測(cè)試、迭代，十年、二十年、幾十年后，人類(lèi)對(duì)于火星的了解勢(shì)必將再次實(shí)現(xiàn)飛躍。
責(zé)編AJX