科普：一文看懂 美國“毅力號”與中國“天問一號”的區別_風聞

火星車，嚴格來説應該稱之為：火星巡視器。

巡視器：Rover (space exploration)。

發射

2020年7月30日，

毅力號（Perseverance）搭乘美國聯合發射聯盟公司（ULA）的宇宙神5型運載火箭，從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空。

宇宙神5型運載火箭首次發射時間為2002年8月21日，技術來源是一款從老產品宇宙神2型及3型（沒有4型）發展而來，箭體直徑3.81m。

2021年2月18日，歷時203天后，毅力號火星車順利在火星上着陸。

着陸地點：耶澤羅隕石坑（Jezero crater）

着陸後拍下第一張照片

這個風格與好奇號是一樣的，因為毅力號也是由好奇號團隊研發的。

這是好奇號着陸後第一張照片：

之所以選擇在耶澤羅隕石坑着陸，是因為這一區域極有可能發現過去微生物生命存在的跡象。

約30億至40億年前，一條河流流入耶澤羅隕石坑當時所在區域，形成了充滿碳酸鹽礦物和粘土的沖積三角洲。

毅力號團隊認為，這個古老的三角洲地區可能能找到有機分子或其他潛在的微生物的曾經存在過的生命跡象。

當然代價是更大的任務失敗風險

——毅力號降落的地點耶澤羅隕石坑附近散佈着巨石、懸崖和沙丘，地形複雜，地勢嚴峻，稍有失誤就會導致任務失敗。

2020年7月23日，

天問一號搭乘長征五號火箭從海南文昌發射升空，時間比毅力號還要早一週。

長征五號是長征最新一代液體捆綁式重型運載火箭，箭體直徑5m。

是目前中國起飛質量最大、芯級直徑最粗、運載能力最強、技術最先進的火箭。

2021年2月10日，歷時202天后，天問一號終於順利進入火星軌道，預計還要再等待3~4個月，於2021年5月至6月擇機實施火星着陸，

着陸地點：烏托邦平原。

烏托邦平原是火星上最大的平原，也是1976年9月3日美國海盜2號在火星上的着陸與探索區域。

此處地勢平坦，地形比較不復雜，着陸難度較低。

（點擊放大查看）

歷史

毅力號是美國NASA長期以來火星探測的最新成果。

屬於NASA“火星探索計劃”（Mars Exploration Program）的一部分。

它是美國第8個火星着陸探測器，第5台火星車，也是世界上第2輛採用核動力驅動的火星車（第一輛是好奇號）。

美國是目前唯一一個在火星實現巡視器着陸並工作的國家，

在毅力號之前，着陸並工作的巡視器有：

1997年7月火星探路者號（MESUR Pathfinder）所攜帶着陸的旅居者號（Sojourner）火星巡視器。

2004年1月火星探測漫遊者（Mars Exploration Rover, MER）所攜帶着陸的勇氣號（Spirit, MER-A）和機遇號（Opportunity, MER-B）。

2012年8月火星科學實驗室（Mars Science Laboratory）的好奇號（Curiosity）成功登陸火星。

好奇號改進的結果，就是毅力號。

左為MER勇氣號/機遇號，前方為旅居者號，右為好奇號。

對比一下輪子：

天問一號並非中國首次火星探測嘗試。

2011年，中國的首枚火星探測器“螢火一號”曾隨俄羅斯“天頂2SB”火箭發射升空，但因為火箭未能成功變軌而宣告任務失敗。

10年後，被命名為“天問一號”的火星探測器再度出發，天問一號並沒有對軌道器、着陸器、巡視器進行分別命名，這一點與美國NASA分別命名有所區別。

在此之前，中國在地外行星上着陸的巡視器，僅僅為在月球着陸的玉兔1號與玉兔2號。

相比較而言，火星比月球更遠離太陽與地球，重力更大，而且有狂暴的沙塵暴，這都與安靜的月球環境差異極大。

技術參數

毅力號長3米、寬2.7米、高2.2米，還有一個五關節的2.1米長的機械臂，重1050千克，使用核動力裝置MMRTG（multi-mission radioisotope thermoelectric generator）。

是美國目前體積最大、重量最重的火星車。

毅力號是由大獲成功的好奇號改進而來，NASA重新設計了毅力號的輪子，加大加強了輪子，使其更加堅固，避免出現之前好奇號輪子破損的問題。

毅力號大大加強了攝像頭，一共多達23個攝像頭。

同時還首次安裝了兩個麥克風，這也是麥克風第一次被送上火星，人類終於可以聽到火星上的聲音了。

毅力號搭載了多種探測器，其中包括多國合作的部件。

毅力號還搭載了名為“火星地下實驗雷達成像儀（RIMFAX）”的探地雷達，這是第一個在火星表面運行的探地雷達，科學家可以利用它拍攝高清圖像，以研究被掩埋的古代河牀等地質特徵。

最有創新的，是毅力號還搭載了名為機智號 （Ingenuity）的無人直升機。

這是無人直升機技術在地球外的首次使用。

機智號無人直升機重1.8公斤，高0.5米。2對同軸反轉的碳纖維製成的旋翼葉片，長度達1.2米（3.9英寸）。

最頂端是長方形的太陽能電池板。

直升機核心平台是高通驍龍Robotics Flight 801平台，由高通處理器連接到兩個飛行控制微控制器單元（MCU）上，通過智能算法來實現自主飛行的功能。

直升機自帶兩台照相機，一台彩色照相機，一台黑白照相機。

機智號外殼的內部是由二氧化碳填充的隔温層，而沒有使用昂貴的黃金鍍層和硅氣凝膠層。

火星大氣層密度僅地球大氣層的1%，極其稀薄，在火星表面起飛相當於在地球上3萬米以上的高空起飛，

而目前地球上現有的無人旋翼機，最多只能在6500米以下正常飛行。

除了大氣密度低，火星上的音速也比地球低1/3，只有240米每秒。所以直升機的旋翼葉片不能轉地太快，如果葉片的末梢速度超過音速，就會引發強烈的顫振，最終設計轉速為每分鐘2400轉。

好在火星表面的重力只有地球的38%，這倒是降低了無人機對功率的要求。

https://v.qq.com/x/page/c06535zw1ul.html

or

機智號將在着陸後60-90天從毅力號腹下分離。

與毅力號分離後，機智號將開展為期30天的飛行測試，

飛行高度距地面3至5米，飛行距離最大300米（980英尺），每次飛行不超過三分鐘。

機智號飛行中可以進行自主控制，可直接與毅力號通信。

這將是人類首次實現飛行器在其他星球的受控飛行。

天問一號目前沒有更多的官方數據。

天問一號巡視器的重為200~240千克，高約1.85米，6個車輪，攜帶6台科學儀器。

6台儀器分別是：

多光譜相機，次表層雷達，成分探測儀，磁場探測器，氣象測量儀，以及一台地形相機。

天問一號沒能使用核動力，而是使用太陽能充電板為動力，使用新型的鋰氟化碳電池進行蓄放電。

(第69屆國際宇航大會上展出的天問一號上的火星車模型1：4)

着陸技術路線

毅力號繼承自好奇號，繼續以“空中吊車”（sky crane）的方式着陸火星。

在進入火星大氣層後，先由大底（隔熱罩）扛住衝入火星大氣層後因摩擦帶來的巨大熱量，同時快速減速。

然後後拉出降落傘繼續減速。

接着拋掉大底，傳感器精確定位，毅力號使用了地形導航技術，能將拍攝的火星地貌與此前保存的地圖進行比較，從而確定着陸地點周圍的環境，並避開陡坡等不宜降落的地形。

最後放出空中吊車（sky crane）懸停式着陸系統，空中吊車的火箭反推裝置點火後繼續減速，然後緩緩下降。

至於降落傘就不管它了，隨便飛走就是。。

接着空中吊車懸停在空中，放出吊索將毅力號放下，等到車體變形完畢（展開放出輪子），當輪子觸地完成着陸後，將成功着陸信號由吊索傳遞到空中吊車，吊索自動切斷，空中吊車平台最大功率啓動側飛飛走，然後墜毀在儘可能遠的地方。

​

這個方案的優點是可攜帶大型的火星車，對着陸區域地形要求低。缺點：技術難度最高。

天問一號的降落，是使用最簡單的火箭反推降落。

着陸器與降落傘分離後，底部的火箭反推裝置開始工作，緩慢下降到觸摸地面為止，在這一階段，反推火箭需要一直工作，直到降落火星表面為止。

當着陸平台降落到火星表面後，放出兩條導軌，然後再放出巡視器。

這種方案的優點是最簡單，安全係數高。

缺點是對着陸區地形要求高，複雜地形就不行，並且無法攜帶大型的火星車。

中美差距

航天領域是中美兩國科技差距最小的領域之一。

因為中國的航天是可以用“萬中選一”的方式，用昂貴的成本堆出必要的性能。

天問一號的技術水平，大概與2003年的勇氣號/機遇號是相當的。

比起毅力號，則差距甚遠。

——只要看看毅力號可以比天問一號後發先至地從地球飛向火星，然後一氣呵成地降落成功，而且質量體積還比天問一號都大了一大圈，這個技術的差距就很明顯了。

天問一號與與2003年的勇氣號/機遇號，二者無論從體積、質量，甚至到外形，都有很大的相像。

當然我們不能説天問一號是山寨與勇氣號/機遇號，畢竟相同的問題，總是有着相似的答案。

只不過，勇氣號/機遇號歷時207天/202天就降落到火星上，而天問一號還在軌道上徘徊。

當然，美國算是登陸火星的老司機了，而天問一號做為新手上路，多點時間也很正常。

（中國天問一號）

（旅居者號/機遇號）

勇氣號/機遇號火星車，高1.5米，寬2.3米，長1.6米，重180千克。使用太陽能為動力，使用德爾塔II運載火箭發射，使用氣囊降落。

勇氣號2003年6月10日發射，2004年1月3日着陸火星表面，歷時207天。

機遇號2003年7月7日發射，2004年1月25日着陸火星表面，歷時202天。

德爾塔II運載火箭是一款更古老的火箭，1989年首次發射，箭體直徑2.44m。

與好奇號/毅力號相比，無論是重量、體積，還是功能上，天問一號還有巨大的差距。

如果天問一號能夠成功着陸並正常工作，這意味着中國航天與美國航天的差距拉近到10多年。

這個本身就是一個非常了不起的成就。

核動力

天問一號與毅力號還有一個巨大的差別，就是毅力號使用的是核動力。

火星不比月球，火星距離地球很遠，信號往返需要時間很長，無法實現實時控制，所以完全依賴航天器自身的自主控制能力。

火星更加遠離太陽，在火星上能夠收到的光照強度要比地球與月球上收到的弱得多，只有地球的40%左右。

相比於月球環境，月面接近真空，不存在雲層遮擋、沙塵等問題，火星的環境要複雜得多，火星表面有沙塵暴，一次爆發還會持續數週。

火星低光強與沙塵暴，決定了航天器需要進行嚴格的保温措施以應對夜間的低温，要求航天器表面的塗料具有低吸收低發射特性，而太陽能面板需要有很高的轉換率。

應對這種挑戰，以機遇號為例，在夜間，使用8個放射性同位素加熱元件加熱儀器，每個加熱元件依靠放射性元素衰變可持續產生1瓦的熱能。實在必要時也可以使用電加熱裝置。保温絕緣裝置由黃金鍍層和硅氣凝膠層構成。

但即便如此，在2018年一次席捲全火星的沙塵暴中，機遇號最終還是沒挺過來，NASA最終於2019年2月宣佈任務中止。

所以火星車最好的動力選擇是核動力，工作時間長（半衰期為87.7年），輸出穩定（在任何情況下提供125瓦的功率輸出），並且不受太陽能的限制，特別是在沙塵暴的火星上。

而且核動力還能為儀器供電，輸出熱量保温，持續工作能力強。

——比起機遇號上的8個1瓦的核能加熱元件，毅力號的能夠穩定輸出125瓦的核動力MMRTG簡直是直接吊打一切。

MMRTG安裝在毅力號的翹起的尾部。

中國的核電池技術離美國還很遠，離俄羅斯也有距離。

嫦娥4號上搭載的核電池，是中俄聯合研發的。

當然，核動力的體積與重量也是天問一號的小身板所不能承受的。

但對於想要在火星上一展身手的中國航天來説，核電池技術是必須要啃下的難關。****

機智號的開放

雖然在民主黨主政時期，NASA長期經費不足，直到川普上台後才得到相對充足的經費。

雖然超級軍工巨頭，也是超級“大公司病”的波音與洛馬聯合搞了個ULA，試圖壟斷航天發射市場，瘋狂上漲的發射報價讓NASA叫苦連天：地主家還沒個餘糧啊，不帶這麼宰人。。

雖然波音與洛馬的“大公司病”讓NASA無力吐槽，拖累了NASA的星辰大海的大業。。

但，很官僚機構的NASA卻常常有超出官僚主義的“不走通常路”，秀出的作品常常讓人感到驚豔。。

比如今天四處秀回收再發射的的Space X，就是NASA慧眼識珠，丟出16億的大訂單直接催化出來的。

——雖然NASA最初的想法只是想借Space X來敲打一下波音與洛馬。

而這次毅力號最有創新色彩的，就是這個機智號無人機。

這是一個採用了開放的源Linux系統，通過電商平台SparkFun購買現有的民用貨架商品組裝出來的新設備，當然也可以視為是實驗驗證性質的。

核心平台是高通驍龍Robotics Flight 801平台，使用的正是普通手機中的高通驍龍801手機芯片。

一般的航天器材，比如中國航天所用的，都是軍工級的，都是搞“萬中選一”的做法，這樣的做法，好處是質量可靠，缺點是成本非常高昂。

在沒有獨立核算前，中國航天還能虧本賺吆喝，利用民用發射市場的名義進口管制芯片等等器材，至於用到哪了，你懂的。

後來被制裁後，這條路就走不通了，發射單價也就水漲船高了。

PS：現在中國國內所謂的“民營航天”，基本上都是在忽悠騙錢。。

在機智號項目上，NASA表現出很強的開放心態，鼓勵項目組大膽去試，並願意承擔一些風險，允許項目組在市場上採購民用產品。

比如NASA的火星探測器，使用的是VxWorks操作系統。而機智號卻使用的是開源Linux系統，一個開放的平台。

而且不僅僅核心平台用的驍龍801處理器是普通的手機硬件，連導航設備，慣性測量單元IMU、激光測距儀等設備，都是普通的民用級硬件，極大地降低了成本，同時計算能力大大提升。

這種思路，是在考察這些民用品能不能在火星上與軍工產品一較高下，這個思路與當年催化Space X是一脈相承的。

敢於開放，勇於創新，大膽嘗試，尋求引入民用產品降低費用，這是NASA一直在努力的方向。。

 吹號角的凌飛