探路者——火星上的小車(chē)

鄭永春

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

機(jī)遇號(hào)火星車(chē)即將開(kāi)始遠(yuǎn)征前，最后一次“深情”凝視帶它來(lái)到火星的著陸器（NASA/JPL-Caltech/Cornell）

先鋒官索杰娜號(hào)

科幻大片《火星救援》中，馬克經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途跋涉，找到了遺留在火星表面上的火星車(chē)，利用火星車(chē)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(shù)源于現(xiàn)實(shí)。影片中救了馬克一命的那輛火星車(chē)，并非是憑空捏造出來(lái)的，而是1996年發(fā)射升空，1997年了月4日登陸的火星車(chē)——索杰娜號(hào)。

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

登陸展開(kāi)后的火星車(chē)，長(zhǎng)65厘米，寬48厘米，高30厘米。搖臂轉(zhuǎn)向架可以檢測(cè)到20厘米高的巖石，如果火星車(chē)有側(cè)翻危險(xiǎn)，坡度感應(yīng)器則會(huì)發(fā)出警報(bào)。因?yàn)閭€(gè)子太矮，所以從索杰娜拍到的照片中，火星上的石塊看起來(lái)都很高大。

索杰娜號(hào)的上甲板鋪設(shè)了一層太陽(yáng)能電池，車(chē)內(nèi)安裝了一套電子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)壽命只有一星期。火星車(chē)有一根桿狀天線，但由于功率太小，無(wú)法將信號(hào)直接發(fā)送給地球，只能通過(guò)著陸器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，才能與地球通信。當(dāng)它正式工作時(shí)，地面工程師會(huì)通過(guò)著陸器，傳給它一系列運(yùn)動(dòng)指令，引導(dǎo)它前進(jìn)。除了可以遙控駕駛，索杰娜還有一種自動(dòng)駕駛模式——可以自主選擇路線，我們只需告訴它提前避開(kāi)某些障礙物即可。

索杰娜配備了6個(gè)鋁合金車(chē)輪，直徑13厘米，還有不銹鋼輪胎和剎車(chē)系統(tǒng)。每個(gè)車(chē)輪都有電動(dòng)馬達(dá)，可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。它走的很慢，最快的時(shí)候也只有1厘米/秒，這也是勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)和好奇號(hào)設(shè)計(jì)的最快速度。而且，它也離不開(kāi)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(cè)設(shè)備也很簡(jiǎn)單，只在火星車(chē)后部安裝了一個(gè)簡(jiǎn)易的彩色攝像頭和一臺(tái)能譜儀。遇到要分析的巖石時(shí)，火星車(chē)必須掉頭，讓車(chē)尾的能譜儀直接接觸石塊，才能進(jìn)行分析。而且，分析過(guò)程往往要耗時(shí)幾個(gè)小時(shí)，才能獲得較高的信噪比，識(shí)別出巖石中的化學(xué)元素。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，科學(xué)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(chē)，索杰娜為此后更復(fù)雜、功能更強(qiáng)大的機(jī)器人火星車(chē)，擔(dān)當(dāng)起了“探路先鋒”的重任。

跑馬拉松的勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)

勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)是一對(duì)“雙胞胎”，不僅外形長(zhǎng)得一模一樣，連攜帶的探測(cè)設(shè)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(cè)器登陸點(diǎn)分布。第一代火星車(chē)索杰娜號(hào)與火星探路者號(hào)一起，登陸克里斯平原;第二代火星車(chē)，機(jī)遇號(hào)登陸子午線平原，勇氣號(hào)登陸古謝夫撞擊坑。圖中黑色圓點(diǎn)為第三代火星車(chē)好奇號(hào)的三個(gè)預(yù)選登陸點(diǎn)，2012年8月，好奇號(hào)最終登陸在蓋爾撞擊坑。鳳凰號(hào)著陸器于2008年5月登陸，海盜1號(hào)和海盜2號(hào)，則是1976年登陸的兩個(gè)火星著陸器（NASA/JPL-Caltech）

勇氣號(hào)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(lái)自馬丁峽谷的水流沖刷，曾經(jīng)有一個(gè)湖泊，至今還殘留著各種沉積物。因此，科學(xué)家希望借助勇氣號(hào)，確認(rèn)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(lái)才被水浸泡的。但登陸后，勇氣號(hào)發(fā)現(xiàn)，那里并沒(méi)有沉積物，只有火山噴發(fā)的玄武巖。

機(jī)遇號(hào)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(dá)數(shù)百米的灰色赤鐵礦覆蓋在阿拉伯臺(tái)地上，看起來(lái)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?yàn)楸砻娴暮F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(xué)成分相同，科學(xué)家很想知道，這些灰色的赤鐵礦是怎么形成的。

好奇號(hào)火星車(chē)結(jié)構(gòu)（NASA/JPL-Caltech/Woods）

勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)之所以都選擇在赤道地區(qū)登陸，一是因?yàn)槟抢锏奶?yáng)能比較充足，可以給火星車(chē)提供充足的電能;二是因?yàn)槟抢锏貏?shì)低洼，海拔較低，用降落傘進(jìn)行減速的距離更長(zhǎng)，效果更好。

作為第二代火星車(chē)，勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)各重170千克，是索杰娜號(hào)的16倍。它們的個(gè)子也要高得多，桅桿上導(dǎo)航相機(jī)的視場(chǎng)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(chē)。

作為機(jī)器人“地質(zhì)學(xué)家”，勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)的主要目的是分析火星巖石的物理特性、化學(xué)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(jī)械臂，可以在五個(gè)自由度內(nèi)運(yùn)動(dòng)，以選擇特定的石塊。另外，機(jī)械臂上安裝的顯微成像儀（就像地質(zhì)學(xué)家常備的手持放大鏡）可以識(shí)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(cè)土壤顆粒的大小和形狀，分析火星土壤侵蝕過(guò)程。

好奇號(hào)火星車(chē)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(gè)火星表面都覆蓋了一層紅色的沙塵。當(dāng)年，索杰娜號(hào)就被這層沙塵給蒙蔽了，它在著陸器周?chē)邅?lái)走去，看到的物質(zhì)成分都差不多。“吃一塹，長(zhǎng)一智”，為了揭開(kāi)沙塵底下的秘密，科學(xué)家給第二代火星車(chē)配備了專門(mén)清除石塊表面灰塵的不銹鋼刷頭，同時(shí)還配備了一個(gè)鉆頭。這個(gè)鉆頭可以在石頭上打磨出一個(gè)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(hào)和機(jī)遇號(hào)當(dāng)初的設(shè)計(jì)壽命只有短短的三個(gè)月（90個(gè)火星日，1個(gè)火星日比地球日約長(zhǎng)半小時(shí)）。但是，它們的表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的預(yù)期：勇氣號(hào)一直運(yùn)行至2010年，工作了6年多，跑了7.7千米;機(jī)遇號(hào)更是一直運(yùn)行至2018年（是設(shè)計(jì)壽命的59倍），工作了整整15年（約相當(dāng)于8個(gè)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(guò)一個(gè)全程馬拉松的長(zhǎng)度。

核動(dòng)力“航母”好奇號(hào)

每天清晨，當(dāng)你登錄好奇號(hào)的官網(wǎng)，就可以接收到來(lái)自火星的氣象報(bào)告：比如此刻蓋爾撞擊坑內(nèi)的溫度、氣壓、風(fēng)速等氣象參數(shù)，以及當(dāng)?shù)氐奶?yáng)升起時(shí)刻和落山時(shí)刻，這些數(shù)據(jù)來(lái)自好奇號(hào)上的火星氣象臺(tái)。

好奇號(hào)屬于第三代火星車(chē)，質(zhì)量更重、體積更大、功能也更強(qiáng)大。它的外形尺寸與一輛私人轎車(chē)差不多，重約900千克，相當(dāng)于勇氣號(hào)或機(jī)遇號(hào)的5倍。因?yàn)樘?，所以不能像前三輛火星車(chē)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(chē)。當(dāng)它進(jìn)入火星大氣層，離地面1600米高度時(shí)，隔熱罩后蓋脫離，甩掉降落傘，啟動(dòng)空中吊車(chē)，8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始反推減速;當(dāng)離地面20米高度時(shí)，空中吊車(chē)在火星上空懸停，釋放出一根纜繩，把火星車(chē)緩緩落到地面;最后，空中吊車(chē)割斷纜繩，主動(dòng)飛離。這種登陸方式，不僅可以把更重的設(shè)備運(yùn)到火星表面，而且相比用氣囊著陸，火星車(chē)受到的沖擊也要小得多。

作為第一輛沒(méi)有“翅膀”的火星車(chē)，好奇號(hào)采用同位素溫差發(fā)電機(jī)，通過(guò)放射性元素衰變釋放的熱量進(jìn)行發(fā)電。由于不再受到太陽(yáng)能發(fā)電的約束，好奇號(hào)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(jī)遇號(hào)和勇氣號(hào)曾經(jīng)想去而不敢去的蓋爾撞擊坑。

一位藝術(shù)家描繪的空中吊車(chē)下方懸掛著好奇號(hào)火星車(chē)，準(zhǔn)備在火星表面著陸時(shí)的場(chǎng)景（NASA/JPL-Callech）

好奇號(hào)還有一個(gè)官方的正式名稱——火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。這是因?yàn)榈厍蛏弦粋€(gè)普通巖礦實(shí)驗(yàn)室能做的常規(guī)分析任務(wù)，好奇號(hào)都能獨(dú)立完成。它配備了9臺(tái)科學(xué)儀器和1個(gè)環(huán)境探測(cè)包，光是相機(jī)就有3個(gè)。它能抓、能鏟、能鉆探，還能篩選、研磨、轉(zhuǎn)移到測(cè)試盒，添加化學(xué)試劑，進(jìn)行加熱，測(cè)量光譜，得到顯微圖像，真的就像一位合格的地質(zhì)學(xué)家。

好奇號(hào)的設(shè)計(jì)壽命只有2年，但目前仍然狀態(tài)良好，是唯一仍在正常運(yùn)行的火星車(chē)。好奇號(hào)發(fā)現(xiàn)，蓋爾撞擊坑中曾經(jīng)有過(guò)一個(gè)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(xué)家推測(cè)，這些鵝卵石是被水流從別處搬運(yùn)過(guò)來(lái)的;它還檢測(cè)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(xué)家已經(jīng)可以宣布火星上有生命活動(dòng)。樣品分析儀在土壤中檢測(cè)到多種有機(jī)物，但科學(xué)家還無(wú)法確定這些有機(jī)物的來(lái)源。因?yàn)槌松顒?dòng)會(huì)產(chǎn)生有機(jī)物，還有大量的有機(jī)物會(huì)隨著隕石和宇宙塵埃落到火星上。

顯然，科學(xué)家還需要更多的證據(jù)，才能回答火星上究竟有沒(méi)有生命。而這，有待下一輛火星車(chē)來(lái)完成。目前，好奇號(hào)這艘核動(dòng)力火星車(chē)的使命仍未終結(jié)。未來(lái)，它還會(huì)帶給我們哪些激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)呢？

（責(zé)任編輯/徐沐妍 美術(shù)編輯/胡美巖）