NASA毅力號啓程奔赴火星，本屆火星季圓滿落幕_風聞

出品：科普中國

製作：haibaraemily

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

2020年7月30日，NASA毅力號火星車搭乘宇宙神V-541火箭，從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空 [1]。繼阿聯酋的希望號、中國的天問一號之後，本屆火星賽季最後一位選手，奔赴火星。

搭載毅力號的宇宙神V-541火箭點火升空。來源：NASA

從各個角度來説，毅力號身上都滿是前輩好奇號的影子，無論是外形、降落方式，還是探測目標、科學儀器，無不彰顯着自己好奇號Pro的氣質。而好奇號作為一個已經馳騁火星近8年的super star，它的繼任者自然也給了我們許多難以言説的親切感，彷彿一位認識很久的老朋友，在娓娓展示着人類對火星的探索是如何薪火傳承的。

好奇號 vs 毅力號，八年過去了。素材來源：NASA/JPL-Caltech

毅力號的目標是繼續探索火星的地質和氣候環境，尋找火星過去的微生物痕跡（詳見：我們離火星生命還有多遠？）。相比於好奇號，毅力號升級和替換了哪些黑科技？

御風而行

毅力號此行，最閃耀的明星可能是它攜帶的小型無人機機智號。

安裝在毅力號底部的機智號無人機。來源：NASA/JPL-Caltech

人類迄今為止有四種探測火星的方式：飛掠、環繞、着陸、巡視。（嘛…其實還有伴飛、採樣返回和載人登陸，不過考慮到一般都是伴飛小天體，小天體自轉又很快，所以四捨五入也和繞飛差不多了）

飛掠（flyby）、環繞（orbiting）、着陸（landing）、巡視（roving）。改編自：CGTN [2]

而毅力號將嘗試為人類帶來新的探測方式：無人機探測。要知道別説是火星，人類在地球以外的任何其他星球上，都還沒有飛過無人機呢，這是開天闢地頭一遭。

用無人機探測其他星球有多麼令人期待？在機智號還沒有真正在火星上測試飛行過的情況下，另一艘無人機任務，NASA的蜻蜓號已經入選下界新疆界級任務，計劃於2026年前往土衞六了。

蜻蜓號無人機在土衞六上的工作假想圖。來源：NASA

但不同於有着稠密大氣的土衞六或者有着一般般大氣的地球，火星的大氣可就太稀薄了。火星表面大氣壓僅有地球的0.6%，在這樣的星球上開無人機，“飛起來”的難度要大得多。

而機智號的應對之法也很直接：自身儘可能輕小，槳葉儘量大，轉速儘量快。整個機智號僅重1.8公斤，而槳葉總長達1.2米，轉速高達2400轉/分鐘 [3, 4]。

嚴格來説，這是個共軸反槳直升機

作為測試機，機智號沒有攜帶任何科學儀器（相機分科學相機和工程相機的），工作時間也不長：充電一天僅能滿血飛行約90秒，飛300米遠（也不少了，好奇號一年也就能走3公里…）。但它需要驗證在一顆遙遠星球上保温、充電、自主飛行、拍照等諸多技術，如果測試順利的話，甚至能為毅力號偵查地形和規劃路線。機智號計劃飛行1-4次（注意：NASA不同資料中對儀器參數的口徑其實略有差異，下同）。

機智號無人機飛行工作示意圖。來源：NASA/JPL-Caltech [5]

如果機智號能成功完成測試，這將意味着人類探索其他星球的方式再次得到了拓展：探測器們將不僅能在固態星球上巡視馳騁，還將能在火星這樣的有大氣的星球上御風而行，用無人機開拓我們的探測視野。

機智號工作想象。來源：NASA/JPL-Caltech

生命“神探”

為了探尋火星生命痕跡，好奇號最大的法寶是腹中的一套強大的有機物探測裝置，叫做火星樣本分析儀（Sample Analysis at Mars），簡稱SAM（山姆）。機器臂採集到的火星固體樣品，會被送入“山姆”之中，經過高温分解檢測其中是否有複雜有機物。“山姆”是整個好奇號火星車上佔體積最大，設計最複雜的儀器，也正是“山姆”相助，才讓好奇號在火星發現了多種噻吩（C4H4S）、芳香族和脂肪族複雜有機物（詳見：我們離火星生命還有多遠？）。

火星樣本分析儀SAM及其內部儀器。來源：NASA

而毅力號則啓用了一套遠程分析的儀器來探測有機分子和可能的生命痕跡——以名偵探“夏洛克·福爾摩斯”為名，這個儀器叫做夏洛克（全稱“拉曼和熒光掃描宜居環境、尋找有機物和化學物質儀”，縮寫SHERLOC）。夏洛克安裝在毅力號機臂前端，包括一個紫外激光拉曼光譜儀和一個暱稱“華生”的相機，可以協同工作，精細探測火星表面的礦物成分、有機分子和可能的生命痕跡 [6]。

來源：NASA/JPL-Caltech

“夏洛克”的儀器標定板也值得一提。許多送往火星的儀器都需要從地球帶去標定物來校準，同時這些標定物在火星的極端温度和輻射環境下逐漸發生的變化，也能幫助我們瞭解火星環境的影響。

感受一下夏洛克的標定板大小。來源：NASA/JSC [7]

夏洛克攜帶了10件標定物，其中最具話題性的當屬火星隕石Sayh al Uhaymir 008的切片。這顆來自火星的隕石是人類1999年在阿曼沙漠找到的，而這次，毅力號要送它回家了。

火星隕石Sayh al Uhaymir 008的切片。不過不止夏洛克，毅力號的超級相機也攜帶了一塊火星隕石用於定標，不過那塊要低調不少。來源：NASA/JPL-Caltech/PIA22245

除了火星隕石，夏洛克的標定板中還有5種宇航服纖維和頭盔材料，這些材料在火星環境下性能如何，會如何老化，這些都關係到將來的宇航員登上火星時的安危。這是人類首次將宇航服材料送往火星[6]。

感謝微博網友們幫助漢化，這些個材料中文都是啥啊orz，陷入了知識的盲區…漢化自：NASA/PIA24033

仔細觀察夏洛克的定標板，還能發現左下角（放聚碳酸酯材料的）那格寫着“貝克街221號”，真是偷偷把cue梗進行到底的節奏呀。今後毅力號所在的地方，就是火星上的“貝克街221號”吧~

夏洛克的定標板。來源：NASA/JPL/collectSPACE [8]

火星製氧

去掉了好奇號的樣本分析儀“山姆”（SAM），毅力號的“腹中”給另一個前所未有的儀器騰出了一點位置——火星原位製氧儀“莫克西”（Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment，MOXIE）。

（左）莫克西的位置和參數。（右）實物，就是這個金盒子！來源：NASA/JPL-Caltech

莫克西從火星大氣中收集二氧化碳，電解為氧氣和一氧化碳，對氧氣進行提純之後，將一氧化碳和其他產物排回大氣中。

莫克西製氧原理。根據NASA資料簡化製作

火星大氣約96%的成分是二氧化碳，而將來登陸火星探測甚至長期生活的人類更需要的，是賴以生存的氧氣。如果能直接利用火星的二氧化碳來製備氧，那麼將來的人類就不用千里迢迢從地球帶液氧來火星，而是可以直接在火星生產氧，供日常呼吸和推進劑之用。想想就是一件激動人心的事！

讓《火星救援》裏的生保系統成為可能。來源：電影《火星救援》

莫克西這個縮寫也別有深意，MOIXE意為“勇氣、大膽、堅韌、富有冒險精神”，這也是NASA對這個探索性儀器寄予的期望。

NASA還順便cue了一款叫做MOXIE的蘇打飲料品牌，2018年被可口可樂公司收購。來源：維基

強勁“手臂”

相比於好奇號，毅力號在外形上最大的調整是把更多重心放在了機器臂上。可以説，毅力號將是目前的火星車裏最強的“獨臂大俠”。

毅力號的機器臂。來源：NASA/JPL-Caltech

除了好奇號就有的鑽頭和相機，毅力號還把自己7大儀器中的2個都安裝在了機器臂前端：一個是上一節提到的生命神探“夏洛克”，另一個則是可以探測岩石超精細化學組成的X射線熒光光譜儀（The Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry，縮寫PIXL）。

PIXL的另一層含義是“像素”（pixel）的諧音，用以表現這個儀器將會如何“明察秋毫”。它不僅能探測出岩石含有的成分，還能像素級還原清晰地拍攝出這些成分的排列方式。

（左）PIXL傳感探頭；（右）PIXL相比於其他探測元素的儀器（如好奇號攜帶的APXS）的優勢。來源：NASA/NICOLAS MICHEL-HART, UNIVERSITY OF WASHINGTON

PIXL和夏洛克雙劍合璧，可以幫助我們探測到火星上更可靠的疑似微生物遺蹟。

暈了沒？沒暈走兩步？|  來來來再捋一下，以地球上最古老的生物化石之一——疊層石為例，PIXL可以探測這塊石頭裏含有哪些元素以及元素的微觀排布，夏洛克可以探測這塊石頭裏含有哪些礦物和有機分子。來源：參考文獻 [9]

此外，毅力號還升級了鑽頭：好奇號的鑽頭只能採集火星岩石和土壤粉末，而毅力號的鑽頭可以直接採集完整的巖芯，這有助於將來的人類分析到“無損”的火星岩石樣品。這也將是人類首次採集到火星的巖芯樣品。

（左）毅力號採樣示意圖；（右）巖芯鑽取示意圖。來源：NASA、參考文獻 [10]

採樣返回先驅者

前輩好奇號探測火星生命的儀器“山姆”裏，有一整套雙層旋轉木馬一般的“試管套裝”，這些“試管”，是好奇號分析樣品的化學實驗杯。

毅力號依然攜帶了一套“試管”，但這些“試管”只用於封裝鑽頭採集的火星樣品。

毅力號的樣品收集管。來源：NASA、參考文獻[9]

是的，毅力號此行完全放棄了好奇號甚至海盜號那樣通過機器臂直接採集和接觸式分析樣品的模式，而是隻負責樣品的採集和封裝：

毅力號鑽孔採樣和封裝過程示意。來源：NASA/JPL-Caltech

之後，毅力號會把樣品管轉移到指定地點:

第二站是樣品緩存站，如果後續還有拓展任務（虛線部分），那麼拓展任務採集到的樣品還會再折返送回緩存站。來源：NASA

留待將來的火星任務拾取和送回地球，給人類親手研究：

火星採樣返回任務示意。來源：NASA/JPL-Caltech

擁抱未來

作為手握人類全部八次成功的火星着陸探測榮譽稱號的選手（蘇聯還有一次成功着陸但沒能順利開展工作的，算…半次吧），NASA對火星探測毫無疑問有着最多經驗，也走在最前沿。既帶着前輩們的經驗，又有着最雄厚的資金投入，價值24億美元的毅力號火星車顯然還有太多細節值得深挖和學習，這不是一兩篇文章能講完的，有機會我們再展開講講。

例如，毅力號把好奇號原有的桅杆相機（Mastcam）和化學相機（ChemCam）升級為可縮放的桅杆相機（Mastcam-Z）和還能分析礦物和分子、拍攝彩色照片的超級相機（SuperCam）。

毅力號的7大儀器。來源：NASA/JPL-Caltech

毅力號和我國天問一號火星車一樣攜帶了次表層雷達，兩個測地雷達將深入探測火星車沿途的地下淺表層結構和水冰分佈。從沒有過見識過巡視器測地雷達的火星，將一口氣迎來兩個。

毅力號的次表層雷達（RIMFAX）工作示意圖。來源：NASA/JPL-Caltech

毅力號攜帶了更多相機，足足有23個之多，渾身都是“眼睛”。

毅力號的相機分佈。來源：NASA/JPL-Caltech [11]

毅力號在好奇號的基礎上更新了軟件系統，設計了更堅固耐磨的車輪…

好奇號vs毅力號車輪。來源：NASA/JPL-Caltech

……

但總的來説，相比於升級裝備和探索更多科學謎題，毅力號顯然有更大的目標，也更具開拓性——不執着於用有限的資源獲得儘可能多的科學成果，不計較一時一地的得失，而是真正着眼於將來。不管是機智號無人機，還是莫克西製氧儀，都是本次毅力號的“試驗任務”，它們最大的目標是驗證技術的可行性，為將來的載人火星任務鋪路。而採集巖芯、封裝火星樣品，更是把更多“發現”的機會留給了未來，或許，是十年後的人類。

7個月後

毅力號的火星之旅計劃在路上花費約6個半月，途中進行5-7次軌道修正。

毅力號計劃軌道。敲黑板複習一下，這個就是上期講的快速轉移軌道。來源：NASA/JPL-Caltech

一切順利的話，毅力號火星車將於2021年2月18日登上火星表面的**傑澤羅（Jezero）**撞擊坑。

（這裏的“成功”僅按“成功着陸且順利開展探測工作計）

這是一個古老湖泊的遺蹟，有着三角洲流水地貌、豐富的火山熔岩產物和礦物沉積，是行星科學家們精挑細選出的可能孕育生命和保存生命痕跡的環境。核電池加身的毅力號設計壽命1個火星年（約2個地球年），當然，按照我們對以往NASA火星車的經驗來看，不出意外的話它實際會工作更久。

傑澤羅撞擊坑三角洲一帶豐富的沉積物：綠色是粘土礦物、黃色是橄欖石和碳酸鹽。MRO CTX影像和CRISM光譜圖像的疊加圖。NASA/JPL/JHUAPL/MSSS/Brown University

即使不談這些，光是7個月後的火星上空即將再現空中吊車黑科技這一項，想必早已讓很多朋友們激動不已了。

空中吊車/空中起重機着陸，這曾是好奇號獨有的着陸方式，毅力號也將延用。© NASA/JPL

更何況——還有NASA“帶着你的名字去火星”的傳統藝能呢！屆時，又會有1093萬個被裝在小小的芯片裏的地球人名字，和毅力號一同登上火星表面了[12]。

名字都在這裏。來源：NASA/JPL-Caltech

不過除了這些，毅力號此行還在火星車底盤左側安裝了一塊8×13釐米的鋁牌，畫面是代表醫學的阿斯克勒庇俄斯之杖頂起地球，其上是探測器飛出地球，去往更遙遠的星球。這塊鋁牌意在致敬和感謝全世界的醫護工作者們在新冠疫情期間的偉大奉獻，正是有ta們在守護地球，人類才能不斷探索更遙遠的地方。

（左）毅力號攜帶的紀念鋁牌；（右）代表醫學的阿斯克勒庇俄斯之杖，這也是世界衞生組織的logo中的元素。來源：NASA/JPL-Caltech/WHO

看見這塊鋁牌在哪裏了麼？

感謝全世界醫護工作者們。來源：NASA/JPL-Caltech/WHO

至此，本屆火星賽季三位選手（阿聯酋希望號、中國天問一號、NASA毅力號）已全部交卷，順利前往火星。明年2月，三國的“火星大考”將迎來各自的第一輪“成果驗收”，讓我們一起期待吧。

致謝

本文感謝Ting Huang、天才琪露諾、鸑鷟鵷鶵、尞祡的審稿和對本文提升所做的幫助~

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參考文獻：

[1] NASA | Mars 2020 Launch Vehicle

https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/launch-vehicle/

[2] CGTN | Hi Mars: Humans’ Mars odyssey

https://news.cgtn.com/news/2020-07-23/Hi-Mars-Humans-Mars-odyssey-SmbQK9Ppok/index.html

[3] https://www.nasa.gov/feature/jpl/6-things-to-know-about-nasas-ingenuity-mars-helicopter/

[4] https://mars.nasa.gov/technology/helicopter/

[5] NASA | NASA’s Mars Helicopter, Ingenuity (UHD Trailer)

https://www.youtube.com/watch?v=0RQWv1ybsjM&feature=youtu.be

https://mars.nasa.gov/resources/24935/nasa-mars-helicopter-ingenuity-animations/

[6] https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/

[7] https://mars.nasa.gov/news/8448/johnson-built-device-to-help-mars-2020-rover-search-for-signs-of-life/

[8] http://www.collectspace.com/news/news-072720a-perseverance-rover-martian-meteorite-return.html

[9] Williford, K. H., Farley, K. A., Stack, K. M., Allwood, A. C., Beaty, D., Beegle, L. W., … & Hecht, M. H. (2018). The NASA Mars 2020 rover mission and the search for extraterrestrial life. In From Habitability to Life on Mars (pp. 275-308). Elsevier.

[10] Chu, L. E., Brown, K. M., & Kriechbaum, K. (2017, March). Mars 2020 sampling and caching subsystem environmental development testing and preliminary results. In 2017 IEEE Aerospace Conference (pp. 1-10). IEEE.

[11] https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/rover/cameras/

https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/rover/body/

[12] https://mars.nasa.gov/participate/send-your-name/mars2020/