“毅力号”火星车将如何影响未来火星探索？

1. “毅力号”火星车将如何影响未来火星探索？

  　　2021年2月18日周四，“火星2020”任务中的毅力号探测器在火星表面成功着陆，标志着NASA将在这颗红色行星上开启第九次地表 探索 任务。毅力号在火星表面的耶泽罗撞击坑着陆。在这里，毅力号将开始 探索 新的陌生地形，寻找古老生命迹象。自第一架航天器飞往火星以来，已经过去了六十年。一开始，人类发送的航天器只能飞越火星，接着进入火星的轨道，再然后是着陆，最后在火星表面漫游。随着时间的流逝，人类对火星的了解越来越丰富，技术能力也在不断提高， 探索 方式和 探索 目标也在随之发展。接下来，让我们一起了解一下“火星2020”任务的三个新的挑战，这使得“火星2020”任务与之前的任务不同，并且有可能影响火星 探索 的未来。 
       　　 将火星样本带回地球  
    　　火星样本取回（MSR）任务由NASA和欧洲空间局联合计划。毅力号任务的主要目标之一就是拿起这个任务的第一棒。毅力号火星车在这个星际接力赛中的角色是收集具有科学吸引力的岩石样本，然后将样本送到火星表面的指定位置。最终，另一辆火星车会抵达耶泽洛撞击坑，取回毅力号堆放的岩石样本。这辆火星车在取回样本后，会将它们转移到火星上升飞行器（MAV）的小火箭中，然后小火箭再携带样本进入轨道，与地球返回舱会合；经过航天器之间的最后一次接力，样本将踏上返回地球之旅。 
    　　但是，火星样本取回任务，无论是从技术还是后勤上而言，都十分复杂。仅样本采集就需要一个极其复杂且多面的机器系统。首先，火星车手臂用来凿取岩石，然后将凿取的材料保存到一个小小的样本试管内；然后，样本会转送到火星车内部，接受一系列检查；最后，样本试管会被送往密封站，在那里进行密封保存，等待回程之旅。这个过程的每一个步骤都离不开极高的精确水平，而毅力号在其任务期间可能要执行这个小任务三十多次。当然，毅力号并非完全自主的火星车。也就是说，毅力号去哪里，凿取哪块石头（不凿取哪块石头）以及在哪里存放样品（以便未来的火星车可以找到这些样本）等等，都需要我们人类来决定，这些都是非常真实的挑战。毫无疑问，这些决定会在团队内引发一系列常规讨论。火星车可以收集的样本数量有限，团队选择处理这些样本的方式，不仅关系到任务的成功，而且也关系到整个火星样本取回任务的成败。 
       　　哪怕毅力号完美地完成了它在火星样本取回任务中的职责，为了将样本成功送回地球，人类还有更多的工作要做。这些不仅需要花费大量时间和金钱，还涉及多个任务，以及此前从未在火星上使用过的新技术。但是无论如何，潜在的回报也是巨大的。在地球上，科学家可以使用更多不同的科学仪器，从而更好地研究从火星上带回来的岩石样本。火星取回样本任务让我们有机会在了解火星地质以及潜在宜居性方面，取得重大进展。这个任务也能帮助我们规划未来的载人火星任务。阿波罗号也从月球带回了岩石样本。几十年过去了，科学家仍在研究这些石头。因为火星样本取回任务的存在，即便毅力号结束了其在火星表面的任务，它仍将继续为我们提供科学研究价值。 
       　　 在火星上学习飞行  
    　　毅力号的火星之旅并不孤单。与它作陪的，还有一架小型直升飞机——机智号。在毅力号着陆后，机智号将执行一系列试飞活动。这也是人类有史以来首次在另一个星球上尝试动力飞行。不过，火星大气比地球上的更加稀薄，因此在火星上驾驶一架直升飞机绝非易事。火星大气密度不到地球大气的百分之一，直升飞机在这样稀薄的空气中很难起飞。为了在火星上尝试飞行，机智号已经在地球上接受了多个测试，包括模拟火星大气的风洞测试。然而，我们从未能够在地球上完全模拟火星环境，尤其是我们无法避开地球的引力场。尽管在理论上，火星的低重力环境可以降低直升飞机起飞的难度，但是大自然的工作方式总是出乎我们的意料之外。所以，在这个激动人心的地外实验中，每个人都无比期待机智号的表现。 
    　　机智号也是首架为火星表面飞行而设计的直升飞机，即所谓的“技术演示”。严格来说，直升飞机飞行其实是独立于毅力号任务之外的另一个任务。假如机智号未能按预期工作，它也不会影响“火星2020”任务的整体成功。但是，如果机智号成功起飞，它们将开启火星 探索 的全新方式。事实上，第一架火星车——旅居者号，也是火星探路者号任务中的一个技术演示。事实证明，旅居者号的成功，开创了新一代的火星漫游探测器。旅居者号之后，NASA启动火星探测漫游者计划，向火星发送了勇气号和机遇号火星车，接着是好奇号，然后是现在的毅力号。所以，如果机智号取得类似于旅居者号的成功，那么，在不远的将来，可能会有更多直升飞机飞行于火星表面。 
       　　空中探测器可以带来诸多潜在的优势。首先，直升飞机可以覆盖的地表面积远大于漫游车；其次，直升飞机也可以提供火星表面的不同视角。机智号上配有两个摄像头，试飞期间的拍摄的照片可以让工程师研究飞行动态，甚至可以协助团队决定毅力号的前进路线。轨道摄像头诚然也可以拍摄到火星表面的照片，但是直升飞机从火星上空拍摄的地表照片将更加清晰。这个有利位置对于在火星上（乃至太阳系其他天体上）寻找潜在的有趣地点非常有帮助。（蜻蜓号任务的工作已经在进行中。未来十年内，人类将向土卫六发射蜻蜓号无人太空飞行器。） 
    　　 机器人 探索 之外  
    　　多年来，NASA一直没有放弃载人火星 探索 。但坦白而言，这个目标始终看似遥遥无期。尽管先前的火星车 探索 已经提供大量信息，帮助人类安全往返地球和火星，但人类 探索 从未成为火星表面 探索 任务的一个明确目标，直到“火星2020”任务的开启。 
    　　“火星2020”任务的四个公开的主要任务之一是，获取有助于为载人火星任务做准备的数据与测试技术。火星车上进行的几项新实验将直接与这一目标有关。火星氧气就地资源利用实验（MOXIE）仪器将尝试把火星大气中的二氧化碳转变为可供宇航员呼吸和用作火箭推进剂的氧气。就地资源利用或许会在未来的人类火星表面 探索 任务中发挥关键作用，尤其是考虑到，发射载人MAV离开火星表面返回地球时将需要大量推进剂。从地球向火星运输大量储备推进剂成本高昂，因此人们更有兴趣知道，火星地表资源是否可以用来就地产生燃料，从而减少航天器的有效载荷。 
    　　火星大气是一个潜在的推进剂来源，另一个来源是地下冰层。毅力号上的火星地下实验雷达成像仪（RIMFAX）是有史以来首个发送到火星表面的探地雷达。该雷达成像仪使用雷达探测，可以“看见”地表以下几米的状况。火星轨道上的雷达仪器已经发现，该红色行星的某些区域存在大量地下积冰的证据。如果我们可以从地下提取这些积冰，那么我们就可以用其来就地生产燃料。诸如RIMFAX之类的仪器可以协助我们从地表识别地下冰层（不过，需要说明的是，毅力号不太可能在耶泽罗撞击坑附近发现积冰）。 
       　　毅力号还会携带宇航员宇航服材料的五种样品，这些样品将被用作“扫描宜居环境寻找有机和化学的拉曼和发光仪器（SHERLOC）”的校准目标。但是，这些样本也将提供一种方法，以研究这些材料在火星表面环境下的持久力。特别是，火星表面弥漫的尘埃与辐射会对人类 探索 构成严重挑战。所以，我们有必要设计一种既能在如此恶劣环境中为宇航员提供保护，又能方便宇航员有效工作的太空服。对于梦想着有朝一日踏上火星的人们而言，毅力号的这一个任务着实令人期待。通过搜集火星表面环境的数据以及在其中测试创新技术，毅力号任务或许可以让载人火星 探索 任务梦想成真。 
       　　在许多方面，毅力号任务代表了火星 探索 的下一步进化步骤。通过这些首创，毅力号将为未来机器人和人类开辟一条新的道路。过去，人类经历了许多；未来，人类将拥抱更多。（匀琳） 

2. 毅力号火星探测器成功着陆火星，它的任务是寻找火星生命吗？

火星生命曾经是一个热门的科幻题材，最近的一部相关的科幻大片大概应该可能是詹姆斯·卡梅隆的日漫改编科幻大片《阿丽塔——战斗天使》吧。


但其实关于火星生命的猜想并不是科幻作者首创，曾经很多科学家都认为火星很可能存在生命，甚至比地球人科技更发达的生命。其中一个原因是火星正好也处在宜居带内，由于质量和所处位置的缘故，在太阳系形成早期，火星的表面温度更早地冷却到适合生命生存的状态。
1877年，意大利天文学家通过天文望远镜发现了火星表面存在河流迹象，一些类似河道的暗线把一些类似湖泊的较暗区域连接起来，像极了人工挖掘的运河，火星上可能存在智慧生命开始在科学界流传。


不过随着人类探测器的到访，人们终于看清了火星的真面目，那里一片荒芜，别说智慧生物，连微生物都无法生存……
不过探测器也同时发现，火星表面曾经出现过海洋，地表奇特的地貌和风化迹象表明它曾经长时间存在过液态海洋，甚至发现现在的火星极地至今还保存着大量的水冰。因此，在火星地表干涸以前是否存在过地外生命成为新的研究课题，如果生命的存在是普遍的，那么这里将极有可能成为太阳系首个出现生命的星球！


这张火星地表的相片是好奇号火星探测车拍摄的一组相片拼接而成的，很显然这是一个湖床沉积干涸后形成的。
既然火星表面存在过液态的海洋和湖泊，那么是否存在过生命自然就是下一个命题了。因此，这次火星年的探测任务，多少都与火星生命迹象和火星水资源的搜寻有关，比如我国的天问一号火星探测器所选定的着陆点就是考虑这两个因素确定的。目前已确定的着陆点乌托邦平原曾经是一片海洋，如果海洋里曾经存在过生命，天问一号很有可能在海洋沉积物中找到它们存在过的证据。下图是正中央就是火星的乌托邦平原。


不过今天文章的主角不是天问一号，而是NASA的毅力号。2020火星年最后一个发射的探测器美国的毅力号经过203天旅程后，NASA于美国东部时间2021年2月18日15:55（北京时间2021年2月19日4:55）宣布确认已成功登陆火星。并于2020次日，即今天发布了首张彩色照片（下图），这是火星车悬吊着陆过程中由着陆器上的镜头拍摄的画面，在平稳放下火星车后，着陆器就飞往别的地点着（zhui）陆（hui）了，这是NASA为了避免着陆器在着陆时吹起的灰尘卷进火星车机械部件而设计的先进降落方式。


而此次毅力号的任务目标就是天体生物学，任务非常明确，就是寻找火星生命去的！所以它选择的着陆地点自然是最有可能存在过和保留着生命迹象的地点！经过数轮讨论，最终选择的着陆点是位于伊西底斯盆地边缘的耶泽罗撞击坑（又译杰泽罗）。下图白圈是预选着陆点的位置。


这个撞击坑在当时产生了一个直径约45公里的湖泊，圆圈左面的缺口是一个上游的入口河道，水沿蜿蜒的河道流入耶泽罗湖，并在入湖口冲刷出一个三角洲，而此次着陆地点就在三角洲附近。湖水沿右上角的出口流出，流入直径1500公里的伊西底斯海（伊西底斯盆地，图4的“火星仪”中左下角那个蓝色的圆形区域）。


有进有出，很显然这是一湖活水，在远古时候（约35亿年以前），这里有合适的气温，湖里曾经充满液态水，并且可能经历过多次的沉积。如果生命的诞生具有普遍性，那么那个时候的火星很有可能诞生过原始生命，毅力好将有可能在湖床的沉积物中发现生命的迹象。而这正是此次毅力号的主要任务。


此次毅力号火星车的一项重要任务，就是对着陆点附近的火表进行采样，将获取附近的沉积层中的土壤样本并封存起来。但此次的毅力号并没有上升器，因此无法直接把样本带回，因此会密封存放后由NASA后续专门发射取样返回器带回地球，预计会在10年内取回样本。


需要用两次火星航天任务来完成一次取样任务，可见此次取样有多重要。为了能挑选到合适的样本，这辆声称价值27亿美元的毅力号火星车上搭载了多种先进的科学仪器用于探测采样点的岩石化学成分，更好地获取更有可能存在生命迹象的岩石样本。具体仪器见下图，我已加注汉字，不再赘述。


特别值得一提的是除了搭载辅助采样和拍照的各种科学仪器以外，这辆火星豪车上还搭载了一个迷你的大气实验室，用于测试直接通过火星大气里占比95.3%的二氧化碳制造氧气的效率的试验仪。这是为将来的载人任务做的一项技术储备，人工制造的氧气除了能提供宇航员的日常呼吸所需，还能用于返航时的液氧阻燃剂的补给，这样返回器就无需预留拥有返回的液氧阻燃剂，用火星制备的氧气把液氧燃料瓶重新注满即可，甚至着陆器都无需丢弃，直接着陆器返回器一体式设计，这将大大减轻着陆返回器重量，从而大大节省发射载人飞船所需的燃料。


除了火星车，这次毅力号还带去了一个前所未有的玩意——火星无人直升机！这架直升机采用了双螺旋桨的动力设计，火星空气密度只有地球的1%，这对于靠空气制造升力的螺旋桨直升机是个灾难性的环境，幸好火星的表面重力也仅为地球的38%左右，但起飞依然比地球困难得多，因此这次可算是一次火星飞行的可行性实验。


美国在太空探索上，始终是走在最前面的，不过科学探索是造福全人类的，而不单是某国国家，我们的征途是星辰大海，我们是地球人！因此，祝愿美国毅力号火星探测任务能完满成功，也祝愿我们的天问一号所有任务也完满成功！
（以上图片来源网络，如有侵权请联系删除）

3. 耗资22亿美元的“毅力”号火星探测器经历七分钟恐怖后成功着陆

美国国家航空航天局的“毅力”号漫游者在经历了2.39亿英里的太空旅行后，成功登陆火星。
  
 “火星漫游者”在进入火星大气层并接近火星表面时，经历了混乱的环境，在“恐怖七分钟”中幸存下来。它像一颗高速的子弹，以每小时12,000英里的速度穿过大气层，并成功展开音速降落伞，使其减速，在表面软着陆。它降落在降落伞上，后壳分离，空中起重机操纵带着毅力到地面，连接到长尼龙电缆。
     
 “毅力”号在一个820英尺(250米)深的Jezero火山口底部着陆，Jezero曾是35亿年前的湖泊，是水的家园。火星表面布满了陨石坑，但Jezero陨石坑的特别之处在于它是一个流入和流出的通道，这表明它在大约35亿年前充满了水。
  
 美国宇航局科学任务理事会的托马斯·祖布亨说:“想到我们打算把火星样本带回地球，这真是激动人心的一天。”
     
 英国科学家在美国国家航空航天局的红色星球任务中扮演着关键角色
  
 英国航天局为“毅力”项目提供了40多万英镑的资金。
     
 伦敦帝国理工学院和自然 历史 博物馆的研究人员也将参与决定哪些火星样本将被送往地球。
  
 研究的目的地是杰零陨石坑，一个28英里宽的洼地，含有古代河流三角洲的沉积物。在这个地方，过去生命存在的证据得以保存。
  
 “毅力号”漫游者将使用钻头收集火星岩石和土壤样本。然后，漫游者将把样本芯储存在火星表面的管子里，为2030年代初带回大约30个样本的返回任务做准备。
     
 回到地球后，伦敦帝国理工学院的桑吉夫·古普塔教授将帮助美国宇航局从科学和工程的角度监督任务的执行，同样来自伦敦帝国理工学院的马克·塞夫顿教授将帮助识别火星样本，这些样本可能含有过去生命存在的证据。
  
 来自自然 历史 博物馆的卡洛琳·史密斯教授将对杰零火山口不同岩石的矿物学和地球化学进行研究。
     
 同样来自自然 历史 博物馆的Keyron Hickman-Lewis博士将研究暴露在Jezero火山口的沉积岩所反映的环境，以及其中保存古代微生物生命的可能性。
  
 科学部长阿曼达·索洛维说:“几个世纪以来，这颗红色星球一直是令人着迷的源泉，能离火星上是否有生命的发现更近一步是令人激动的。我非常感谢英国和世界各地参与这项努力的科学家、研究人员和工程师，我相信这将激励全国新一代的太空科学家。”
     
 英国航天局太空 探索 部门的负责人苏·霍恩补充道:“在接下来的几年里，我们的科学家将在这一国际努力中发挥领导作用，从管理科学操作到决定哪些样本将被送回地球。在过去的四十年里，鲍伊的粉丝和科学家一直在问这个问题，坚持不懈会让我们离回答这个问题更近一步。”

4. 不到一个月，NASA毅力号火星探测器就要发射了，本次任务有何重点

在佛罗里达州的肯尼迪航天中，背壳动力下降阶段和其他结构组件现已与毅力号火星探测器集成。圆锥形的后壳装有降落伞，这个结构与任务的隔热罩是安装在一起的，这将为进入火星大气层的探测器和下降阶段提供保护。最近几天，联合发射联盟ULA的Atlas V助推器已经在卡纳维拉尔角空军基地第41发射场的垂直整合设施中完成了整合工作。
  
 
  
 首先工程师需要将四个固体火箭助推器连接到​​Atlas V 541火箭的侧面，接着是半人马座的上层堆叠工作，半人马座可以精确控制其方向，同时提供多达22300磅的推力，毅力号火星探测器会在明天与Atlas V火箭配对。
  
 NASA喷气推进实验室和美国联合发射联盟工程师组成的联合团队完成了很多工作，很多测试任务的完成将确保毅力号火星探测器能够如期发射并到达火星。毅力号火星探测器将会在7月20日发射，将于2021年2月18日到达火星，降落在一个名为Jezero Crater的区域。
  
 
  
 本次毅力号火星探测器有几大科学亮点，首先毅力号火星探测器可以说是好奇号的升级版，拥有比好奇号更多的科学载荷，在解析土壤样本和分析有机化合物方面有很大升级。第二个科学亮点是其拥有样品存储的科学目标，毅力号火星探测器可以把候选的，拥有极高研究价值的火星样本放在样品收集管内，这些样品将为2026年火星样品返回任务奠定基础。第三个亮点是本次毅力号火星探测器还带有一个小型直升机，这是人造飞行器首次在另一颗星球上飞行。除此之外毅力号还将带有第一个火星拉曼光谱仪，升级的着陆系统等等。

5. “毅力号”火星车登录火星，主要进行哪些科学探索？

登陆火星的“坚持号”漫游车(Perseverancerover)的主要任务是寻找古代生命迹象，探索水源，收集火星土壤和岩石样本。但是他还负责其他一系列科学实验，包括利用火星大气中95%的二氧化碳生产氧气的火星氧气现场资源利用实验(MOXIE)。在这次历史性测试中，漫游车携带的小盒子形状的电解器在一个小时内产生5.4克氧气，相当于一名正常活动的宇航员调用了约10分钟的氧气。根据设计目标，该仪器每小时可以生产12克氧气，或者每天可以生产约288克氧气。

据说国际空间站的宇航员平均每天消耗840克氧气。这是在火星上将二氧化碳转化为氧气的重要第一步，将使未来的人类任务更加可行。MOXIE的主要研究人员、MITHaystack天文台的迈克尔赫克托对火箭和宇航员说氧气很重要。在未来的任务中，四名宇航员要想离开火星表面，需要1万5千磅的火箭燃料和5万5千磅的氧气。在火星表面停留一年的宇航员可能会呼吸2200磅氧气。

安装火星车一小时内可以制造5.4克氧气，几乎相当于宇航员正常活动的10分钟氧气消耗。未来的宇航员需要在火星上执行任务，需要消耗一吨氧气才能满足一年的需求。火星上划时代的氧气实验对宇航员的呼吸氧气消耗和火箭燃料都有破格的意义。美国航空航天局的“Witt”号无人直升机首次在火星表面实现直升机飞行。

此次火星直升机飞行时间约40秒，飞行高度约3米，相当于在地球上约3万米的上空飞行，是地球上直升机无法企及的高度。创造了人类火星探索的新时代。火星的环境可以与地球空气非常稀薄的戈壁沙漠相媲美，但环境更加恶劣。历史上火星有丰富的水源和浓厚的大气。火星可能是数十亿年前适合生命生存的环境。但是，即使火星上有可以维持生命的物质，人类迁移到火星仍然是一个大而复杂的命题。主要是因为火星环境太差。要移民火星，一开始也只能在火星上设立小实验室，在室内创造人类宜居的环境。

6. “毅力号”成功着陆火星，它会通过什么方法寻找火星生命？

毅力号登陆火星全过程 “毅力号”以每小时20,100公里的速度进入火星高层大气，在230秒之后，可以看到世界上最近距离的火星着陆画面。从降落伞充气的那一刻起，摄像系统就记录了整个下降过程，高清摄像机拍摄的画面是从距离火星表面11公里高的地方开始的，视频展现了“毅力号”火星车降落在耶泽罗火山口的紧张旅程。 

位于航天器三个不同组件上的五个商用摄像机收集了这些图像。后部外壳上的两个相机，封装了整个旅程，并拍下了降落伞充气的照片。下降台上的一个摄像头提供了向下的视角，包括火星车的顶部，而火星车底盘上的两个摄像头提供了向上和向下的视角。 
然后，在80秒、2130米之后，摄像机捕捉到下降阶段在着陆地点执行空中起重机操作，火箭引擎的羽流扬起灰尘和小岩石，这些小岩石可能已经存在了数十亿年的时间。视频的最后，毅力号的铝轮毂以每小时2.6公里的速度与地面接触，然后点火的叶片切断了连接轮毂和仍在盘旋下降阶段的电缆，随后上升并在预先计划的飞行机动中加速离开。 

从降落伞爆炸打开，到着陆时火箭喷出的灰尘和碎片，这一过程被称为“恐怖七分钟”。这段视频还捕捉到了在“毅力”号进入火星大气层时，隔热罩保护它不受炙热温度的影响而逐渐脱落的整个过程。 
毅力号将拍摄耶泽罗360度全景图 NASA负责此次项目的科研小组，后续将检查火星车7个仪器中的5个，并使用火星环境动力学分析仪进行首次天气观测。在接下来的几天里，由摄像机拍摄的耶泽罗360度全景图将被传送回地球，为科学家们提供前方道路的最高分辨率。

毅力号火星任务的一个关键目标是天体生物学，包括寻找古代微生物生命的迹象。
探测器将描述火星的地质和过去的气候，为人类探索这颗红色星球铺平道路，并将成为第一个收集和隐藏火星岩石和风化层的任务。随后，美国宇航局将与欧洲航天局(ESA)合作，向火星发射航天器，从火星表面收集这些密封的样本，并将它们送回地球进行深入分析。

7. 美国宇航局毅力号火星探测器发射成功，新火星探测时代即将开始

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8. 最新毅力号火星探测器与火星移民计划 2020

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