火星漫游機器人成長記

張唯誠

從“小不點”到“大力神”

遨游火星的主角是火星漫游機器人，它們又被稱為“火星漫游車”，是火星上不辭辛苦的“原野地質學家”。正因為它們的存在，人類才在地球之外的另一顆行星上進行了極為精細的原野考察。如今，這種探測方式不再局限于火星。可以預見，在未來，對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。

人類的第一個火星漫游機器人被命名為“索杰納”，它于1997年7月4日被“火星探路者號”飛船送到了火星的阿瑞斯平原上。“索杰納”只有6個輪子，個頭很小，由太陽能電池提供能量，前后均有照相機，亦可對附近目標拍攝特寫。它先將獲得的數據傳輸到著陸器上，再由著陸器傳回地面控制中心。

“索杰納”在火星上工作了3個月，發回了大量科學數據，成功完成了火星漫游的開創性使命，給人們留下了深刻印象。它的成功又強化了科學家們指派更先進的漫游機器人前往火星的愿望，直接導致了后面幾代火星漫游機器人的誕生，如“勇氣號”、“機遇號”、“好奇號”火星車等。雖然這些火星漫游車都比“索杰納”本領大得多，但都是在“索杰納”的基礎上一步步“進化”而來的。

這樣的“進化”表現在諸多方面：例如“索杰納”是靠太陽能電池供電的，這種動力系統為后來多數火星漫游車所繼承，其中“勇氣號”和“機遇號”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。但火星上環境惡劣，陽光微弱，時常沙塵彌漫，太陽能電池效能大受影響，因而“好奇號”就改用了核能，這輛汽車大小的漫游機器人裝備了放射性同位素熱電式發電機。這種動力方式也被“毅力號”火星車所采用。

然而，使用核動力存在風險，環保專家和普通民眾對使用核燃料都心懷恐懼，這種恐懼曾經幾乎使“好奇號”面臨夭折。好在一切順利，“好奇號”得以成功抵達火星。對于火星車，太陽能和核能各有優劣，都是可用的動力方式。

“索杰納”只有10千克重，但后來的火星車逐漸地“長大”了。大致來說，它們都借鑒了人體結構，如將照相機裝在很像“桅桿”的立柱上，與人眼的高度差不多。“手”是帶有多種工具和儀器的組件，具有與人體肩、肘和腕關節相似的結構，因而十分靈活。它們也越來越有力量了，如“好奇號”的重量是“勇氣號”或“機遇號”的3倍，長度是它們的2倍，能攀爬60度的斜坡，設計的活動范圍達到20千米，比“勇氣號”和“機遇號”火星車延長了1倍有余。

成為“火星專家”

隨著個頭的增加，火星車的本領也越來越強了，它們在火星上的科研能力也一代更比一代強。當初“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，也越來越復雜精密了。例如“好奇號”就搭載了10多種儀器，其中的“火星樣品分析儀”最引人注目。它是一個小型的車載實驗室，由質譜儀、色譜儀、光譜儀等精密儀器組成，負責研究火星上的碳化學，是專為尋找火星土壤中的有機質而研制的。

截至目前，火星車都肩負著2個最主要的任務，那就是尋找水和生命存在的證據。通過歷代火星車的努力，人們對火星地表有了初步了解。人們認為，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水塑造的。雖然現在的火星非常寒冷，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是被海洋覆蓋著的。人們就此推測，火星有可能先于地球出現生命，這為地球生命的起源提供了一種新視角。

然而，這舒適的環境并沒有保持到今天。大約在距今35億年前，火星的氣候發生了變化，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，火星車也監測到了甲烷。它們來自哪里？是不是也是微生物制造的？對于這個問題，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。對于甲烷的來源，下一代火星車將繼續尋找答案。

力當“火星生存”的強者

火星上的環境非常惡劣，不僅地面崎嶇，而且還有很多松散的沙土，所以人們在設計火星漫游車時，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”和“機遇號”火星車的表現大有突破，“好奇號”火星車則有了更好的成績。“好奇號”火星車的輪子安裝在細長的腿上，周到的設計使它不畏橫亙于路上的巖石，強勁動力則使它善于攀爬沿途的高坡。

然而，僅僅如此是不夠的。由于火星上的環境非常惡劣，未來的火星車一定要更加強悍，更有能耐。例如，傳統的輪式火星漫游車在駛過軟土和沙地時經常遭遇困境。2009年，“勇氣號”火星車就因困在了火星上的一個沙坑中而終結了使命。為了應對火星上討厭的沙土，有科學家為未來的火星車設計了可以靈活移動的輪子，這些輪子可以上下移動，也可以前后掃動。在實驗室里，科學家們測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輪子，有時旋轉，有時左右搖擺，這些動作可以幫助漫游車緩慢地駛過松軟的土壤。

當遇到斜坡時，這種火星漫游車還會改變策略，使出更高的技巧繼續前進。只見它轉動兩個前輪，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，它的后輪也開始擺動，這種動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。有科學家認為，也許未來的漫游車會以這種設計為基礎，該設計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，人們又迎來了一個新的火星窗口。2020年7月23日，我國第一個火星探測器“天問一號”踏上了前往火星的征程，它的計劃是實現火星探測“繞、落、巡”的“三級跳”。這是一次“一舉三得”的火星探測方式，起點高、效益高、挑戰大。目前只有美國完成過“一舉兩得”的探火方式，即“落”和“巡”。如果此次任務圓滿完成，我國將在深空探測能力上實現跨越式發展，成為世界上第三個探測器在火星上著陸和第二個探測器在火星上巡視的國家。在這“三級跳”的任務中，“巡”就是將一部火星漫游車發送到火星上，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是要經過仔細挑選的。因為除了要適合火星漫游車的巡視外，人們還要考慮它的探索價值。我國漫游車將降落在火星北半球的烏托邦平原上。烏托邦其實是一個巨大的盆地，可能由劇烈的撞擊事件所致，呈扇形且地勢低洼，有利于水的儲存，也是火星上最大的平原，直徑達3200千米。研究顯示，這里的地下是一個巨大的水冰儲存區，其含水層由大量水冰和少量石塊等組成，通常是漫游機器人找水的理想場所。

然而，找水只是我國火星漫游車肩負的諸多工作中的一項。“天問一號”的火星之行是一次綜合性的火星考察，它的環繞器攜帶了7臺科學載荷，火星漫游車則攜帶了6臺科學載荷，分別是火星表面成分探測儀、多光譜相機、地形相機、火星車次表層探測雷達、火星表面磁場探測儀和火星氣象測量儀。火星漫游車到達目的地后，將作為這次火星探測行動的重要組成部分，參與火星的全面科考。

前文曾提到，火星上環境惡劣，塵暴肆虐。但塵暴的發生機理一直未能真正解開，因為它是與火星大氣活動等諸多因素密切相關的。同時，在火星上防范和預測塵暴更是非常困難，因為人類對火星天氣的數據采集十分有限，所以在火星上進行“天氣預報”是很不容易的。然而，隨著人類對火星探測活動的日益頻繁，預測火星天氣，例如火星塵暴的發生，已經顯得越來越重要了。為此，我國的火星漫游車攜帶了“火星氣象測量儀”，目的就是開展火星氣象領域工作。這部儀器將測量火星的大氣溫度、壓力和風力，收集足夠的氣象數據，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、地質學、礦物學、空間環境、土壤和水冰分布等其他很多方面的科學考察。它在火星上的活動能力和生存能力必須經受得住火星上嚴酷環境的考驗。為此，科學家們為它設計了盡可能強勁持久的動力系統，它的太陽能電池板擁有很高的光電轉換效率，其中有一種被稱為“集熱窗”的設備可以直接吸收太陽能。在其他方面，科學家們也進行了周密考慮，其目的就是讓這個火星漫游機器人盡可能強悍一些、能干一些、智慧一些。

按照計劃，我國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載荷開展勘測地形地貌、探測火星土壤結構、分析火星表面成分等諸多科學探測工作，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和識別礦物質成分的多光譜相機。

總之，火星漫游機器人抵達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英雄。目前“天問一號”正在飛往火星的征途上。假若著陸成功，我國的火星漫游機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！