探路者——火星上的小車

鄭永春

三代火星車的大小對比，從小到大依次為索杰娜、機遇號和勇氣號（由于結(jié)構(gòu)完全相同，所以只展示其中一輛）、好奇號（NASA/JPL-Caltech）

機遇號火星車即將開始遠征前，最后一次“深情”凝視帶它來到火星的著陸器（NASA/JPL-Caltech/Cornell）

先鋒官索杰娜號

科幻大片《火星救援》中，馬克經(jīng)過長途跋涉，找到了遺留在火星表面上的火星車，利用火星車上的天線，他重新與地球上的工作人員取得聯(lián)系并最終獲救。

藝術源于現(xiàn)實。影片中救了馬克一命的那輛火星車，并非是憑空捏造出來的，而是1996年發(fā)射升空，1997年了月4日登陸的火星車——索杰娜號。

索杰娜號是一輛小型火星車，僅10.6千克重。登陸火星前，它搭載在火星探路者號（Mars Pathfinder）著陸器上。為了裝進著陸器內(nèi)，它把搖臂轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)安裝在車身側(cè)面;兩側(cè)的主轉(zhuǎn)向架放倒，折疊起來，放進火星車的肚子里。折疊后，車身高度只有18厘米，也就一個足球那么高。

登陸展開后的火星車，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，如果火星車有側(cè)翻危險，坡度感應器則會發(fā)出警報。因為個子太矮，所以從索杰娜拍到的照片中，火星上的石塊看起來都很高大。

索杰娜號的上甲板鋪設了一層太陽能電池，車內(nèi)安裝了一套電子系統(tǒng)，設計壽命只有一星期。火星車有一根桿狀天線，但由于功率太小，無法將信號直接發(fā)送給地球，只能通過著陸器進行轉(zhuǎn)發(fā)，才能與地球通信。當它正式工作時，地面工程師會通過著陸器，傳給它一系列運動指令，引導它前進。除了可以遙控駕駛，索杰娜還有一種自動駕駛模式——可以自主選擇路線，我們只需告訴它提前避開某些障礙物即可。

索杰娜配備了6個鋁合金車輪，直徑13厘米，還有不銹鋼輪胎和剎車系統(tǒng)。每個車輪都有電動馬達，可以獨立驅(qū)動。它走的很慢，最快的時候也只有1厘米/秒，這也是勇氣號、機遇號和好奇號設計的最快速度。而且，它也離不開著陸器，只能一直圍繞著陸器工作。

由于重量限制，索杰娜的探測設備也很簡單，只在火星車后部安裝了一個簡易的彩色攝像頭和一臺能譜儀。遇到要分析的巖石時，火星車必須掉頭，讓車尾的能譜儀直接接觸石塊，才能進行分析。而且，分析過程往往要耗時幾個小時，才能獲得較高的信噪比，識別出巖石中的化學元素。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，科學家可以確定巖石中的礦物成分和形成環(huán)境。

作為第一代火星車，索杰娜為此后更復雜、功能更強大的機器人火星車，擔當起了“探路先鋒”的重任。

跑馬拉松的勇氣號、機遇號

勇氣號和機遇號是一對“雙胞胎”，不僅外形長得一模一樣，連攜帶的探測設備也完全相同。小哥倆分別于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。

火星表面探測器登陸點分布。第一代火星車索杰娜號與火星探路者號一起，登陸克里斯平原;第二代火星車，機遇號登陸子午線平原，勇氣號登陸古謝夫撞擊坑。圖中黑色圓點為第三代火星車好奇號的三個預選登陸點，2012年8月，好奇號最終登陸在蓋爾撞擊坑。鳳凰號著陸器于2008年5月登陸，海盜1號和海盜2號，則是1976年登陸的兩個火星著陸器（NASA/JPL-Caltech）

勇氣號的目的地，是直徑約150千米的古謝夫撞擊坑。古謝夫位于火星南北半球的地形二分線。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，曾經(jīng)有一個湖泊，至今還殘留著各種沉積物。因此，科學家希望借助勇氣號，確認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。但登陸后，勇氣號發(fā)現(xiàn)，那里并沒有沉積物，只有火山噴發(fā)的玄武巖。

機遇號的目的地，位于火星赤道以南的子午線平原。那里特別平坦，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)。眾所周知，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。研究發(fā)現(xiàn)，灰色赤鐵礦與紅色赤鐵礦的化學成分相同，科學家很想知道，這些灰色的赤鐵礦是怎么形成的。

好奇號火星車結(jié)構(gòu)（NASA/JPL-Caltech/Woods）

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電能;二是因為那里地勢低洼，海拔較低，用降落傘進行減速的距離更長，效果更好。

作為第二代火星車，勇氣號和機遇號各重170千克，是索杰娜號的16倍。它們的個子也要高得多，桅桿上導航相機的視場更寬，這讓地球上的工作人員看它拍攝的照片，就像身臨其境一般，因而能方便地操控火星車。

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火星巖石的物理特性、化學和礦物組成。阿爾法粒子-X射線譜儀用于分析巖石中除氫以外的主要元素;穆斯堡爾譜儀主要用于分析巖石中的鐵元素;集成了多種工具的機械臂，可以在五個自由度內(nèi)運動，以選擇特定的石塊。另外，機械臂上安裝的顯微成像儀（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。顯微成像儀不僅能觀察石塊中的紋理，還能檢測土壤顆粒的大小和形狀，分析火星土壤侵蝕過程。

好奇號火星車結(jié)構(gòu)（NASA/JPL-Caltech/Woods）

火星上的沙塵暴常常席卷全球，因此，幾乎整個火星表面都覆蓋了一層紅色的沙塵。當年，索杰娜號就被這層沙塵給蒙蔽了，它在著陸器周圍走來走去，看到的物質(zhì)成分都差不多。“吃一塹，長一智”，為了揭開沙塵底下的秘密，科學家給第二代火星車配備了專門清除石塊表面灰塵的不銹鋼刷頭，同時還配備了一個鉆頭。這個鉆頭可以在石頭上打磨出一個幾厘米深的圓孔，然后用光譜儀就可以分析巖石內(nèi)部的成分。

更令人稱道的是，作為一款低成本航天器，勇氣號和機遇號當初的設計壽命只有短短的三個月（90個火星日，1個火星日比地球日約長半小時）。但是，它們的表現(xiàn)遠遠超出人們的預期：勇氣號一直運行至2010年，工作了6年多，跑了7.7千米;機遇號更是一直運行至2018年（是設計壽命的59倍），工作了整整15年（約相當于8個火星年），而且，它還是宇宙“馬拉松”比賽的冠軍，跑了45.16千米，超過一個全程馬拉松的長度。

核動力“航母”好奇號

每天清晨，當你登錄好奇號的官網(wǎng)，就可以接收到來自火星的氣象報告：比如此刻蓋爾撞擊坑內(nèi)的溫度、氣壓、風速等氣象參數(shù)，以及當?shù)氐奶柹饡r刻和落山時刻，這些數(shù)據(jù)來自好奇號上的火星氣象臺。

好奇號屬于第三代火星車，質(zhì)量更重、體積更大、功能也更強大。它的外形尺寸與一輛私人轎車差不多，重約900千克，相當于勇氣號或機遇號的5倍。因為太重，所以不能像前三輛火星車那樣，用安全氣囊彈跳的方式登陸。為此，工程師們研發(fā)了一種全新的登陸方式——空中吊車。當它進入火星大氣層，離地面1600米高度時，隔熱罩后蓋脫離，甩掉降落傘，啟動空中吊車，8臺發(fā)動機開始反推減速;當離地面20米高度時，空中吊車在火星上空懸停，釋放出一根纜繩，把火星車緩緩落到地面;最后，空中吊車割斷纜繩，主動飛離。這種登陸方式，不僅可以把更重的設備運到火星表面，而且相比用氣囊著陸，火星車受到的沖擊也要小得多。

作為第一輛沒有“翅膀”的火星車，好奇號采用同位素溫差發(fā)電機，通過放射性元素衰變釋放的熱量進行發(fā)電。由于不再受到太陽能發(fā)電的約束，好奇號著陸區(qū)的選擇范圍更寬，只要在南北緯60°以內(nèi)，海拔1千米以上即可。最終，它選擇了機遇號和勇氣號曾經(jīng)想去而不敢去的蓋爾撞擊坑。

一位藝術家描繪的空中吊車下方懸掛著好奇號火星車，準備在火星表面著陸時的場景（NASA/JPL-Callech）

好奇號還有一個官方的正式名稱——火星科學實驗室。這是因為地球上一個普通巖礦實驗室能做的常規(guī)分析任務，好奇號都能獨立完成。它配備了9臺科學儀器和1個環(huán)境探測包，光是相機就有3個。它能抓、能鏟、能鉆探，還能篩選、研磨、轉(zhuǎn)移到測試盒，添加化學試劑，進行加熱，測量光譜，得到顯微圖像，真的就像一位合格的地質(zhì)學家。

好奇號的設計壽命只有2年，但目前仍然狀態(tài)良好，是唯一仍在正常運行的火星車。好奇號發(fā)現(xiàn)，蓋爾撞擊坑中曾經(jīng)有過一個淡水湖，這樣的中性環(huán)境顯然更適合生命的繁衍;它發(fā)現(xiàn)了一片鵝卵石，根據(jù)石頭的大小和圓度，科學家推測，這些鵝卵石是被水流從別處搬運過來的;它還檢測到大氣中含有甲烷，如果是在地球上，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，科學家已經(jīng)可以宣布火星上有生命活動。樣品分析儀在土壤中檢測到多種有機物，但科學家還無法確定這些有機物的來源。因為除了生命活動會產(chǎn)生有機物，還有大量的有機物會隨著隕石和宇宙塵埃落到火星上。

顯然，科學家還需要更多的證據(jù)，才能回答火星上究竟有沒有生命。而這，有待下一輛火星車來完成。目前，好奇號這艘核動力火星車的使命仍未終結(jié)。未來，它還會帶給我們哪些激動人心的發(fā)現(xiàn)呢？

（責任編輯/徐沐妍 美術編輯/胡美巖）