机遇号火星车：15年火星探测任务华丽谢幕

出品：科普中国

制作：太空精酿

监制：中国科学院计算机网络信息中心

    2019年2月13日，NASA在与已经失联许久的机遇号火星车联系800余次未果后，最终宣布任务结束。这一原计划任务周期90天、最后竟工作15年的伟大任务，华丽谢幕。本文用10个篇章，为你重新回顾勇气号和机遇号的伟大历程。

    第一幕：任务艰巨，临危受命

    火星是整个太阳系中除地球外最适合开发的星球，人类也早在上世纪60年代便开始探测，但早期探测的失败率很高，苏联甚至直到解体都未取得真正意义上的一次成功。在经历上世纪60-70年代冷战时期的疯狂后，人类火星探测戛然而止，直到上世纪90年代才重新开始。但是很不幸，美国开局的火星观察者号（1992年）失败，俄罗斯开局的火星96号（1996年）也在升空后失败。

70年代维京一号任务拍到的火星全图，这张艺术加工后的图也随后成为火星流传最广的“证件照”，但此后火星探测偃旗息鼓（图源：NASA）

    直到1996年，美国的全球勘探者号才迎来成功，与它一起前往的还有探路者号着陆器/旅居者号火星车，小小的旅居者号也在1997年成为人类第一辆成功着陆的火星车。相比较只能定点着陆的着陆器，火星车有个巨大的优势：能够移动，这一条就足以说明它们的价值。但它实在太小，仅为10多千克而已，携带的仪器自然不可能拥有复杂功能，仅仅工作了几十天就宣告任务结束。人类迫切需要一个全面、复杂、多功能的火星车登陆火星。

旅居者号、勇气/机遇号与好奇号尺寸对比图（图修改自：NASA）

    在这种需求下，NASA的火星探测计划就正式立项了火星探测漫游者（Mars Exploration Rover，MER）项目，它包括两个重量为185千克的火星车，MER-A和MER-B，二者完全相同且互为备份。但没想到，1999年美国两个抵达火星的任务再次面对浩劫：大气勘探者号轨道器直接焚毁在火星大气中，极地登陆者号则在距离地表仅40米处坠毁。在这种情况下，这两辆火星车完成任务的压力可想而知，失败的代价使人类火星探测再次陷入低谷。

    第二幕：鼓足勇气，抓住机遇

    幸运的是，2001年发射的火星奥德赛号轨道器取得巨大成功，它可以为地面功率较低的火星车提供信号转发，这意味着两辆火星车任务可以在2003年顺利踏上旅程。

    两个火星车任务是千载难逢的航天大事，NASA和世界主要科研机构都意识到了公众参与科研项目、尤其是普及科学知识的重要性，因此这两颗火星车命名采取了小学生征文比赛的方式。最终，年仅9岁、小学三年级的索菲·克里斯获得此次征文大赛的桂冠，她最经典的一句话也成为两个火星车命名的来源：“我之前住在孤儿院，黑暗、阴冷、孤独。每当夜幕降临，我总是仰望天空繁星以排解忧伤，梦想着自己有一天能飞至太空。在美国，我的梦想终于可以成真，谢谢你给我的“勇气”和“机遇”。”

    因此，这两辆火星车双胞胎兄弟被最终命名为勇气号（MER-A）和机遇号（MER-B）。而事实上它们还有两个“堂兄弟”留在地球上用来测试，其中一个和它们的科学仪器、结构、重量几乎一模一样，用来测试各个仪器工作情况；另一个则轻一些、几乎不携带仪器，仅用来模拟火星重力下重量对机体结构的影响。

勇气号（左）和机遇号（右）成功发射（图源：NASA）

    两个探测器分别在2003年6月10日和7月7日乘坐巨大的三角洲2火箭顺利升空，它们采用了一条长达200余天的漫长霍曼转移轨道前往火星，并在次年1月份先后抵达。

    第三幕：死亡七分钟和气囊弹跳

    火星降落从不是一件容易的事情。火星引力低于地球，存在稀薄大气，但可以像着陆地球一样，使用空气阻力摩擦和进一步降落伞结合的方式减速。由于速度较快，摩擦能产生巨大的热量会不断在探测器表面积累，达到惊人的2100摄氏度（好奇号火星车降落过程）。但是，火星大气也过于稀薄，仅有地球1%不到，它的减速作用有限，所以不可能像地球一样使用降落伞即可完成最终减速。

此外，火星距离地球最近也在5000万千米级别，这已经意味着将近6分钟的往返通讯延迟，实际还要考虑二者自转造成的遮挡，实际时间远大于此。整个登陆过程不可能由地球上人工控制和监测完成，从探测器开始进入火星大气边缘，到最终火星着陆，只有7分钟左右时间，必须靠自己。虽然着陆时间短暂，全程却有上千个操作要独立进行，任何一个环节出问题都会导致功亏一篑。例如2016年10月19日，欧空局斯基亚帕雷利号着陆器在执行任务时最后一刻失败，直接撞向火星表面粉身碎骨。否则它的着陆地点亦是机遇号火星车所在的子午线高原，如果成功它们将成为并肩战斗的伙伴。只是结果无比遗憾！

在进行大气减速、降落伞减速后，探测器降落装置必须利用反推火箭工作。但自带反推火箭会导致探测器底部被巨大的燃料箱、发动机、传感器等占据，一旦降落后就会成为死重，非常不适合应该自由移动的火星车执行任务。

反冲火箭/气囊弹跳着陆方案，可以明显看出来反推火箭下方吊放着气囊，气囊中包裹着探测器（图源：NASA）

最后勇气号和机遇号的选择方案是气囊弹跳方式：降落伞脱离后，依然采取火箭反推方案进行减速和悬停确定着陆地点。不过此时着陆器又分成两个部分，一部分携带有反冲火箭和燃料罐，另一部分则将火星车折叠后牢牢包裹在巨大的气囊中。着陆器确定好着陆区域后，会将气囊弹出并用绳索牢牢吊住，稳步下降命令下达后绳索断裂。气囊在距离火星地表数米处释放，随后在地面经过多次弹跳后稳定下来。巨大气囊内部往往有平衡设备，能保证气囊停止后折叠的火星车跟地面保持正确的姿态，随后气囊打开，火星车缓缓展开并驶出，这个技术在探路者号任务时已经成功验证。

探路者号使用气囊的地面测试，可以看到相比折叠后仅仅几十公分高的着陆器，高达数米的巨大气囊体积惊人，勇气号/机遇号的气囊与之类似（图源：NASA）

    第四幕：龟速移动的火星“车”

    为了成为一个可以移动的车，勇气号和机遇号必须装载额外的动力、成像和导航系统，这在定点着陆的任务中是基本不存在的。两个探测器动力都来自两块背上的太阳能电池板，它们采用了当时地球上最为先进的多结太阳能光伏电池、可以吸收并利用太阳多个光谱中的能量，但由于火星表面太阳能远不如地球丰富且大气中布满沙尘，在最好的状态下太阳能仅能提供每天900瓦特小时的能量，不到一度电，平均下来工作效率普遍在半度电水平。

勇气/机遇号火星车（图源：NASA）

    而当火星爆发全球性沙尘暴时，漫天的黄沙会急剧减弱太阳光照且附着在太阳能电池板表面，使得一天的产能仅仅为100瓦特小时的能量，火星车必须进入休眠状态。即便是天气最好、高峰时的900瓦特小时，这些能量仅能让地球上的普通热水器工作半个小时，只能维持一个40瓦的老式灯泡亮一天。为了充分利用能量、尤其是避免夜晚时没有能量来源，在火星车上还背了两个7千克重的锂电池以储能。

    考虑到这两个火星车是个高1.5米、宽2.3米、长1.6米、有6个轮子的庞然大物，还要完成复杂的通讯、导航、科研、数据分析处理功能，这点电力就很有限了。这跟大家想象的火星车在火星表面驰骋的场景完全不同，事实上两辆火星车的运动速度是以厘米/秒来计算，它们俩的“飙车”极限速度仅有5厘米/秒，而平均运动速度仅有1厘米/秒。

根据它的自我防护系统，它还要每开10秒就停下来20秒检查地形、避免风险。所以实际上火星车开的效果是：花了10秒钟，往前爬了大概一个人类手掌的长度，然后停下来喘息20秒钟，再继续努力往前爬。

    第五幕：价值连城的“超级名车”

    火星车还必须携带有大量图像拍照系统以辅助导航和自我轨迹判断，毕竟火星上可没有人帮它们指路，必须自给自足完成。因此，它们都携带了一个全景相机、导航相机安装在1.5米高的头部，身上还需要携带四个避险相机拍摄前后左右以避免危险，可谓是标准的“畏首畏尾”。没有办法，毕竟这是个极其精密、造价高达4亿美元的一辆车，经过大致计算，平均下来大概每克的价值就接近15000人民币，这可比一辆用纯黄金（金价大约一克300人民币）做的车贵太多了。

把勇气号和机遇号叫做人类智慧的结晶，丝毫不为过（图源：NASA）

    不仅如此，它小小的能量依然要支持与地球的通讯，但显然这个能量太弱了，远远不够直接把信号发回地球。因此它们的选择方式是依赖其他“前辈”帮忙转发和传递信号：美国的奥德赛号、全球勘探者号、MAVEN、侦察轨道器等都相继为它们提供过数据传输服务。

    在解决了动力、导航、通讯等核心问题后，终于到了最重要的方面：科研！虽然能量有限，两辆火星车依然携带了非常先进且高度集成化的科研仪器，它们基本都安装在火星车前部伸出的机械“手臂”上面。这也是无奈之举，因为整个背上几乎都是太阳能电池板，底部又全部是动力系统和结构系统。

在手臂上，既有穆斯堡尔谱仪、阿尔法粒子X射线光谱仪、磁体仪这种能够详细解读岩石和土壤中化学成分的仪器，也有热辐射光谱仪（装于头部）和显微成像仪这种能从远处和微观的近处观察土壤结构图像的设备。当然，为了辅助这些仪器得到研究的样本，还需要一个研磨工具，将岩石粉碎。在使用仪器时，火星车需要停下来，将大部分能量集中在机械臂上，机械臂把带有仪器们的前端缓缓抬到要研究的地方放下，仪器才可以开始工作。

    第六幕：火星探测，使命必达

    按照计划，勇气号着陆在古瑟夫陨石撞击坑（Gusev Crater），这个170千米宽的超级撞击坑可能隐藏着火星土壤的深层秘密；机遇号着陆在子午线高原（Meridiani Planum），这里曾经被发现存在大量的结晶赤铁矿，这意味着在远古时代这里极有可能是火星巨大的海洋/湖泊所在地。

人类所有已在和将在（火星2020）火星上留下痕迹的火星着陆地点分布（图：Haibaraemily改自NASA）

    两个小家伙抵达火星后果然不负众望，为我们带来了海量科研成果，大大补充了“前辈”维京一号/二号、探路者号/旅居者号任务的研究成果。它们进一步分析了火星土壤成分，相比较地球土壤中基本50%是水和空气、5%是有机物、45%是矿物质和金属而言，火星土壤中仅仅有2%的水和空气，而余下的98%都是矿物质和金属。此外，在火星土壤中还首次发现了镍和锌元素，这二者理应来自火星深层内核，这个发现意味着火星表面的土壤可能源自火山喷发而来，也就是火星亿万年前剧烈地质活动时期的产物。

    勇气号曾经在一块火星岩石上进行过“深层次”研究，它钻出了一个4.5厘米直径、0.5厘米深的洞，几乎是一个婴儿的手掌般。看似人类可以轻松做到，但对勇气号而言已经着实不易：这是它一动不动钻探了两个小时的结果。经过分析这块石头的基本结构，科学家们发现只有可能水的参与才会形成这些微型纹理和孔洞。

机遇号发现的“蓝莓”一般的赤铁矿结晶（图源：NASA）

    它的“兄弟”机遇号则详细研究了大量类似地球上的玄武岩、表面覆盖了多层不同物质，它还去了一个富含粘土的山丘，以及一个远古湖泊的底部，那里发现了包括赤铁矿（一种铁锈）在内的含水矿物质，它甚至在撞击坑底部观测到了水流淌过后的痕迹，这意味着也许今天火星地下依然可能存在液态水。机遇号也比较幸运遇到了一个来自太空的礼物：它找到了一颗铁镍构成的陨石，也是人类首次在外星球找到陨石。

    这些都印证了火星在远古时期拥有温暖潮湿的环境。不过，它们经过研究化学成分后推出结论：火星曾经的海洋和湖泊并不像地球上的水体一样温和，而是绝大部分水体呈现强酸性，并不适合绝大部分地球生命生存。它们的研究远超于此，不过限于篇幅没法全部展开了。

    第七幕：我们征服太空，不是因为它简单，而是因为它很难

    在勇气号和机遇号出发前往火星前，2001年9月11日，美国遭遇了历史上最严重的恐怖袭击，纽约标志性的两座世贸大厦轰然倒塌。这次袭击造成近3000人殒命，且相当一部分是参与救援的消防员们，给美国造成了巨大的损失，事后全世界陷入了哀悼的气氛之中，这两个探测器也不例外。但正如它们的名字，代表了人类要越挫越勇的心情，在事后的遗迹清理过程中，科学家们利用找到的金属材料制作了一个特殊的线缆保护罩，它用来保护岩石粉碎工具。

带有国旗的保护罩原料来自世贸双塔的遗迹（图源：NASA/JPL）

    此外，它们的着陆地点也成为了纪念碑。其中，勇气号的着陆地被叫做“哥伦比亚纪念碑”，这是为了纪念2003年2月1日哥伦比亚号航天飞机返回期间解体的灾难；相应地，机遇号的着陆地被叫做“挑战者纪念碑”，为了纪念1986年1月28日挑战者号航天飞机在起飞期间解体的灾难。在这两个载入人类史册的航天灾难中，各自有7名宇航员殒命，成为历史之最。

    正如肯尼迪总统的名言：“我们选择登陆月球，不是因为它简单，而是因为它很难”。两辆火星车，也肩负着人类的伟大使命。

    第八幕：老兵不死，创造奇迹

    这两辆火星车的原计划工作时间都是90天左右，科学家们认为90天之后火星空气中的沙尘就会覆盖满太阳能电池板，导致能量过低而无法继续工作。但没想到的是，火星上剧烈的沙尘暴和大风天气却帮了忙，风吹去了盖在太阳能电池板表面的尘土，让它重新暴露在太阳光的照射之中而获得新生。虽然在2007年火星巨大的沙尘暴中、99%的阳光被沙尘遮蔽了数月而导致这两个兄弟险些任务失败，但它们通过休眠方式在比地球风速快10倍以上的恶劣环境中最终幸存下来，赢得新生。

勇气号传回地球的最后一张全景照片，这里就是它长眠的地方（图源：NASA/JPL/Cornell）

    在这种情况下，勇气号一直坚持工作到2011年3月22日才宣告任务结束，此前它已经经历了轮子故障不能转动、且在2009年时就陷到软土中根本无法动弹，但它依然在那个坑里坚持工作了两年之久直到失联，那里成了它最终的墓地。

而机遇号情况好很多，它曾经也陷进过一片碎石沙地中，不过后来依靠地球上两个“堂兄弟”的各种模拟才最终花了一个半月时间逃离，那一小块地区也因此被重新命名为“地狱沙丘”。从此之后它更加小心，一直工作到2018年年中。

    但后期的机遇号也在慢慢老去，每天的机上计算机会不断重启，工作一段时间就会自动清空数据存储，它犹如沉沉暮年的老人一样患上了“痴呆症”和“失忆症”，让人惋惜又深感无奈。

机遇号拍到的火星，这恰好对应了阿波罗登月时奥尔德林感慨的“华丽的荒凉”（图源：NASA）

    勇气号和机遇号虽然移动速度极慢，但超长服役的结果却使它们成为了最优秀的火星车。勇气号共计工作了2269天，机遇号工作了5000多天。机遇号以平均1厘米/秒速度运动创造了在太空中最远行驶里程的记录，它已经在火星表面行进了45千米以上，早已超过前苏联在1973年发射的月球车二号（Lunokhod 2）在月球表面创造出的39千米的记录。机遇号就好比是龟兔赛跑里的乌龟，虽然慢但一直坚持到了最后的胜利。

    不过悲剧的是，2018年火星又出现了席卷全球的巨大沙尘暴，机遇号由于能源问题再次陷入沉睡。年底沙尘暴消退后，NASA尝试了800多次联系都未能将其唤醒，最后只得宣布放弃。我们目前已经永远失去了这两个火星车。

    第九幕：华丽终章，亦是开始

    勇气号和机遇号虽然任务已经结束，但它们的华丽终章并未结束。它们的巨大成功再次掀起人类火星探测的高潮，在此之后有一系列探测器抵达火星并长期工作。

    2003年6月，欧洲火星快车轨道器和小猎犬二号着陆器抵达，轨道器至今仍在工作；

    2006年3月，美国火星侦察轨道器抵达，至今仍在工作；

    2008年5月，美国凤凰号着陆器抵达；

    2012年8月，美国好奇号火星车抵达，至今仍在工作；

    2014年9月，美国MAVEN大气专家轨道器抵达，至今仍在工作；

    2014年9月，印度曼加里安轨道器抵达，至今仍在工作；

    2016年10月，欧洲ExoMars轨道器和斯基亚帕雷利着陆器抵达，轨道器至今仍在工作；

    2018年11月，美国洞察号着陆器抵达，至今仍在工作；

“核动力”的好奇号火星车，几乎是勇气号/机遇号的5倍大，各方面能力全面升级（图源：NASA）

    未来的2020年，中国、美国、俄罗斯/欧盟等，都将有新一轮火星探测任务前往火星，火星将迎来最为繁忙的一段时间。毫无疑问，它们的研究成果，将会大大超越勇气号和机遇号。

    第十幕：下一站，火星

    人类已经幻想了火星探测数万年，航天时代的实地探索也尝试了60年，这一切还在不断加速。所有人都在等待征服火星的那一天，人类从此可以被定义为一种全新的物种：一种来自于地球的、可跨行星生存的生物。

机遇号在2018年失联前最后一张“完整”自拍，成为它的绝唱（图源：NASA）

    然而，60年来，人类发射的火星探测任务成功与失败大约各占一半。当我们在缅怀勇气号和机遇号永远长眠在火星时，还有火星二号、火星三号、火星六号、火星七号、福波斯一号、福波斯二号、极地登陆者号、深空二号、火星96、福波斯·土壤号、小猎犬二号、斯基亚帕雷利号并未成功降落在火星。这仅仅是失败的着陆器名单，而如果算上轨道器，这个名单会更长。探测火星，真的很难。

    老兵不死，他们只是老去。这些长眠在火星的探测器已经成为了人类文明的新地标，未来的征程，我们依旧在路上。