文/遲惑

2019年2月14日，美國宇航局（NASA）宣布：機遇號火星車已經(jīng)無法繼續(xù)工作，這項持續(xù)了15年的計劃正式宣告結(jié)束。在此之前的2011年9月，勇氣號火星車也結(jié)束了自己的使命。這兩輛火星車分別降落在火星的兩側(cè)，超額工作了很多年，成為人類邁向太空的重要里程碑。如果有一天人類抵達火星并且建立起殖民地，肯定會為它們建立起醒目的紀念碑。

關(guān)于“機遇號”的結(jié)構(gòu)和功能，已經(jīng)有諸多媒體進行過連篇累牘的報道。我們在這里討論一些過去不為人們所關(guān)心的東西。

行走的麻煩

把一輛漫游車軟著陸到外星球上，并不是很容易的事情。從現(xiàn)在的情況來說，掌握了這項技術(shù)的只有蘇聯(lián)/俄羅斯、美國和中國。蘇/俄和中國只實現(xiàn)了月球著陸，還不曾在火星這種擁有稀薄大氣層的星球上著陸。美國水平最高，不但3次把載人月球車隨登月飛船一起送上月球，還4次成功地在火星軟著陸了火星車。歐洲和其他航天國家都不曾做到過。

然而把漫游車降落到外星球只是第一步，讓它長期行駛、工作才是漫長的考驗。到目前為止，“機遇號”是在外星球持續(xù)工作時間最長的漫游車。它在行駛中遭遇的挑戰(zhàn)也是最多、最大的，所取得的經(jīng)驗教訓(xùn)具有極大的價值。

走走停停

火星上沒有馬路，每一厘米的行進都是在越野。這對于喜歡戶外的人可能是樂園，但對于沒有人駕駛也沒有辦法救援的火星車來說，就是大麻煩?！皺C遇號”一共有6個車輪，為了提高越野能力，它采用了大行程的懸掛系統(tǒng)和獨立的驅(qū)動電機，按理說是非常豪華的越野配置。但即使如此，“機遇號”的行駛還是遇到了很大的麻煩，它能堅持15年，真的可以算是奇跡。

“機遇號”采用的是一種半自主行駛方式。地面控制人員根據(jù)火星繞飛觀測的圖像，結(jié)合“機遇號”自己拍攝的圖像，選定一些航路點，然后“機遇號”在兩個航路點之間自主運行。這種模式是因為地球和火星之間距離漫長，距離最短時，無線電波從地球跑到火星也需要4分鐘的時間。地面控制人員既不可能看到“機遇號”的實時圖像，也不可能對它實時遙控。

▲ 15年間，“機遇號”走過了一條漫長曲折的路

▲ 這就是所謂的波紋地形，走起來很費勁

▲ “機遇號”的右前輪很早就壞了，只能歪著走

既然是越野，“機遇號”自然不能跑得太快，而且它可沒有大排量發(fā)動機可以用?；鹦蔷嚯x太陽比地球還遠，太陽能電池的發(fā)電功率是非常有限的，所以“機遇號”想快跑也不可能。就在這走走停停之下，它在15年時間里只跑了幾十公里，比烏龜還慢。不但如此，降落后沒幾年,“機遇號”的右前輪就出了問題，不能跑直線。這進一步降低了速度。

不過“機遇號”并不是去火星上飆車的，而是看風(fēng)景的。走得太慢并不是問題，多數(shù)時候它是停在荒野里拍照，不需要飆車。而且，通過“機遇號”和“勇氣號”的行駛，人們可以更加了解火星上的路況和駕駛注意事項，為后續(xù)火星車的研制積累知識和經(jīng)驗。

橫跨波紋路

從上圖中，我們可以看到“機遇號”在這15年里的行駛路徑，它所經(jīng)歷的地形既有平原，也有起伏坡地。NASA把后一種叫做“波紋”，這是因為從空中看去，它就像水波一樣。這種波紋地形是如何形成的？是不是曾經(jīng)有過大范圍的水系？抑或是塵暴的產(chǎn)物？目前還沒有結(jié)論。但人們現(xiàn)在傾向于相信它是風(fēng)吹的結(jié)果。

無論是平原還是起伏坡地，“機遇號”都要處理一個難題：有些地面覆蓋著厚厚的塵土，有些地面卻是裸露的巖石。這樣會導(dǎo)致左右輪的阻力不一樣，容易打滑和偏航。我們在地球上駕駛，也對這樣的路況很是頭疼，更何況在火星上。

“機遇號”在橫跨波紋的時候，遇到了大麻煩。如果比較小的波紋問題還不大，如果波紋的波長超過了“機遇號”的軸距，就會同時發(fā)生淤陷和打滑的情況。這在“機遇號”爬坡和越過波峰頂部的時候最為明顯。為了保證“機遇號”的順利行駛，NASA的宇航工程師們只好惡補汽車越野知識。

求助車輛工程

我們知道，任何車輛在行駛當中，車輪和地面之間必須有足夠的摩擦力，否則就會打滑。詳細分析起來，車輪對地面的作用力可以分為法線方向和切線方向，如果是作用在堅實地面上，法線方向的力越大，切線方向的摩擦力就越大。切線方向的力不僅僅是摩擦力。泥土?xí)度胼喬サ幕y，與輪胎之間產(chǎn)生剪切力。好幾個輪子的很多道花紋上一起產(chǎn)生剪切力，就可以產(chǎn)生推動車輛前進的牽引力。嵌入花紋的泥土越寬厚、泥土本身強度越大，這部分牽引力就越大。反之，牽引力就越小。這就是越野輪胎的花紋比公路輪胎的更寬更深的用處。當然，如果泥土的強度太小，比如泥漿和沙子，嵌入花紋的泥土很容易就被剪斷了，那就會發(fā)生打滑。

▲ “機遇號”著陸后，回頭拍攝了自己的氣囊

“機遇號”在火星上遇到的土壤就屬于很容易被剪斷的那一種。因為土壤里幾乎沒有水，因此顆粒之間像沙子一樣沒有附著力。車輪轉(zhuǎn)動的扭矩稍微大一點，就把花紋里的泥土剪斷了，車輪開始打滑。實際上，在有些行程當中，科學(xué)家們通過攝像機拍到的車轍，發(fā)現(xiàn)“機遇號”的某些輪子有58%的概率在打滑。在有些情況下，車輪淤陷深度達到5厘米之多，而車輪直徑也不過25厘米。這是非常危險的事情。另外，在上坡的時候，“機遇號”的中輪和后輪承受的負荷更大，淤陷的危險也最高。地面控制人員有時候會把機械臂轉(zhuǎn)向火星車的側(cè)面，用攝像機來自拍車輪的情況。他們發(fā)現(xiàn)，車輪的軸心位置經(jīng)常是糊滿了沙土。在經(jīng)過不同地點后，糊在車輪上的沙土質(zhì)地還不一樣，有時候粗糙，有時候細膩。但有一點是相同的，它們都把車輪上NASA的LOGO糊住了。

車輪如果連續(xù)打滑，就會把下面的土壤刨出一個坑來。有越野經(jīng)驗的人都知道，如果坑越刨越大，車輪完全淤陷進去，就得叫救援了。但是在火星上，哪里有救援可以叫？唯一的辦法，就是不要讓“機遇號”陷入這樣的境地。

上世紀50年代，一位叫Bekker的科學(xué)家推導(dǎo)出了土壤剪切特性和承壓特性的應(yīng)力-應(yīng)變公式。1978年，旅居加拿大的華人科學(xué)家J.Y.Wong又對公式進行了完善和發(fā)展。這個公式如今是松軟地面行駛研究的基礎(chǔ)。NASA的宇航工程師們跨領(lǐng)域?qū)W習(xí)了這個公式，為“機遇號”制定了更加合理的行駛模式。

當“機遇號”的右前輪在第433號航路點出現(xiàn)故障后，行駛成了更大的問題。由于這個車輪無法正常工作，“機遇號”再也不能走直線了，而是會向一側(cè)偏8°左右。這時候，就需要用其他輪子的協(xié)調(diào)工作來糾正這個偏離。

不管怎么說，“機遇號”的行走機構(gòu)在15年的時間里，在陌生的外星球上走過了幾十公里的漫長道路。希望當人類終于登上火星的時候，它的車轍還沒有被塵暴湮沒。人們還有機會把它保護起來，作為人類進步的一個野外展示品。

水在哪里？

必須要知道，火星上有水的遺跡這件事并不是“機遇號”發(fā)現(xiàn)的。早在1971年，水手9號探測器就發(fā)現(xiàn)火星上有河床的遺跡。海盜1號和海盜2號探測器發(fā)現(xiàn)有一片地貌非常類似于淺河灘。火星全球勘測器發(fā)現(xiàn)有一片12000平方米的地區(qū)存在礦物富集現(xiàn)象，說明這里古代曾經(jīng)有水?；鹦翘铰氛咧懫鲃t發(fā)現(xiàn)，著陸地點附近有大規(guī)模水流的痕跡?；鹦菉W德賽則在火星上發(fā)現(xiàn)了一個大湖的遺跡，判斷水量曾經(jīng)比美國的密歇根湖還要大。鳳凰號著陸器在自己的著陸地點分析了土壤和巖石，那里曾經(jīng)有20厘米厚的冰。

然后就輪到了“機遇號”和“勇氣號”。

“機遇號”剛剛降落沒多久的2004年3月2日，NASA就發(fā)布消息，在一塊巖石上，顯微成像儀發(fā)現(xiàn)了黃鉀鐵礬的跡象。在類似成分的地球巖石上，黃鉀鐵礬的存在意味著它曾經(jīng)長時間浸泡在水里。例如在地球上，黃鉀鐵礬在礦山排水區(qū)域附近，或在火山噴口附近很容易找到。因此，要形成黃鉀鐵礬，需要一個潮濕、氧化性、酸性的環(huán)境。但黃鉀鐵礬形成之后，如果當?shù)匾廊怀睗?，它就會分解成氫氧化鐵。所以，“機遇號”發(fā)現(xiàn)的那部分黃鉀鐵礬一定是在遠古時期形成的，然后水忽然消失了。

“機遇號”還確認了一處赤鐵礦脈。按照人們的知識，赤鐵礦一般是在水的作用下形成的。但“機遇號”的發(fā)現(xiàn)更為直接，在它發(fā)回地球的照片里，人們看到了奇異的景觀：一些赤鐵礦石呈現(xiàn)出細小的球狀，還有一塊球形礦石附著在巖體上。只有在水流沖刷和攜帶作用下，赤鐵礦石才會變成這個樣子。

▲ “機遇號”靠深空網(wǎng)與地球通信，這是堪培拉站

2006年，“機遇號”抵達了“持久”撞擊坑附近，發(fā)現(xiàn)了一塊50厘米長、2厘米寬的石膏礦。這是此前從來沒有發(fā)現(xiàn)過的。在地球上，這樣的巖層很常見，但它出現(xiàn)在火星上卻令人非常激動——它是水流沉積的產(chǎn)物。

到2013年，“機遇號”還發(fā)現(xiàn)火星上有多處黏土礦的存在，這是在濕潤氣候下才會形成的。

然而我們可以發(fā)現(xiàn)，“機遇號”還是沒有找到真正的水資源。

NASA每次發(fā)射火星探測器，每次發(fā)現(xiàn)有水的遺跡或者微量水，就在媒體上大規(guī)模宣傳一番。這是按照“給納稅人一個交代”的邏輯做出的行為，雖然美國納稅人承認NASA確實沒有亂花錢，但反復(fù)宣傳有限科學(xué)成果，也讓人有一種“狼來了”的疲憊。公眾想要的，是立刻就能用來開發(fā)的龐大水源地。這恐怕是后續(xù)火星探測任務(wù)要重點發(fā)現(xiàn)的。既然火星地表沒有水，那么比較好的預(yù)期，是能在火星地表下發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的冰層。比較惡劣的結(jié)果，是火星上的水早就蒸發(fā)到了大氣中，然后被太陽風(fēng)吹進宇宙消失了。那樣的話，人類必須找另外的辦法來維持火星生活。

寫信好辛苦

無論是“機遇號”把數(shù)據(jù)送回來，還是地面控制人員把指令發(fā)過去，都不是很容易的事情。在“勇氣號”和“機遇號”任務(wù)啟動之前，NASA曾經(jīng)提出過火星中繼通信的想法，也就是發(fā)射一顆通信衛(wèi)星到火星軌道上。然而這個理念并沒有真正實現(xiàn)，“機遇號”一度通過“火星奧德賽”和“火星全球勘測軌道器”實現(xiàn)了和地球之間的中繼通信，但更多時候，“機遇號”用的還是美國的主力深空測控通信設(shè)施——深空網(wǎng)。這個由三組龐大天線群組成的測控網(wǎng)，是航天愛好者們非常熟悉的設(shè)施。

“機遇號”上裝有三副天線。一副是低增益的全向天線，一副是定向的高增益天線，還有一副是全向UHF頻段天線。當它在火星上工作的時候，采用X頻段和地球通信。

因為距離遙遠，“機遇號”的通信速率相當?shù)?。高增益天線在任務(wù)初期的最大下行速率也只是略微超過10000比特每秒。低增益天線的下行速率只有10比特每秒。

UHF頻段并不是直接與地球通信的，而是通過“火星奧德賽”和“火星全球勘測軌道器”中繼，速度要快得多。以“火星奧德賽”為例，當它正好飛過“機遇號”頭頂?shù)臅r候，通信速率可以超過100兆比特每秒！

“機遇號”在不同頻段上的發(fā)射功率有所區(qū)別。在X頻段上的射頻發(fā)射功率只有16.8瓦。這個數(shù)字對地球靜止軌道衛(wèi)星通信來說還算不錯，但是對于地球和火星之間通信來說就太可憐了。好在UHF頻段信號不用跑那么遠，用12瓦發(fā)射功率就可以和中繼衛(wèi)星之間實現(xiàn)高速通信。

考慮到火星探測是NASA的最高優(yōu)先級目標之一，“機遇號”和“勇氣號”用上了深空網(wǎng)最大直徑的兩種天線——34米和70米的大天線全都向它們開放?！盎鹦菉W德賽”的中繼通信同樣可以通過這兩種天線進行?！盎鹦菉W德賽”上的存儲器容量有限，劃撥給“機遇號”和“勇氣號”使用的只有260兆比特，“火星全球勘測軌道器”劃撥給“機遇號”和“勇氣號”的存儲空間更少，只有77兆比特，所以要盡快把數(shù)據(jù)傳回地球，才能清空內(nèi)存。在任務(wù)早期，“火星奧德賽”向地球傳輸?shù)乃俣纫欢冗_到110千比特每秒。但隨著地火距離的增加，70米天線能接收到的數(shù)據(jù)率下降到40千比特每秒，34米天線下降到14千比特每秒。

“機遇號”的運行也證明，中繼衛(wèi)星的存在是極為必要的。如果沒有它們的中繼，“機遇號”拍攝的照片很難全都傳回來。因此，NASA一度規(guī)劃了專用的火星中繼衛(wèi)星，原本打算在2009年發(fā)射。但因為NASA的資金不多，有限的錢被“哈勃”維修、“機遇號”和“勇氣”號延期運行、“好奇號”發(fā)射等項目耗盡了，這顆衛(wèi)星研制計劃在2005年下馬。

尾聲

“機遇號”任務(wù)的結(jié)束，標志著兩臺第一代火星車都完成了自己的任務(wù)。目前，“好奇”號火星車還在月球上運行，美國研制的火星生命2020、俄羅斯和歐洲聯(lián)合研制的“羅薩林-富蘭克林”都將在2020年發(fā)射，中國也打算研制和發(fā)射一臺火星車。所有這些火星車，終極目的都是找到人類如何在火星上長期生存的資源和辦法。如果移民活動正式開展，我們需要的就不是火星漫游車了，而是各種鉆探車、采掘車、運輸車、發(fā)電車、宿營車……在火星上鋪鐵路的可能性也不是沒有呢。

相關(guān)鏈接：

“機遇號”和“勇氣號”的十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)

“機遇號”從發(fā)射到現(xiàn)在，已經(jīng)過去了16個年頭。人們似乎已經(jīng)習(xí)慣了火星上有這兩臺小漫游車在不停地拍照。但無論“機遇號”還是“勇氣號”，使命都是到火星上尋找水的遺跡，而它們的設(shè)計工作壽命都只有90天。所以，“機遇號”已經(jīng)超期服役了15年。

負責(zé)“機遇號”和“勇氣號”的團隊設(shè)在華盛頓大學(xué)。2014年的時候，團隊副主任雷·阿爾維德森在接受媒體采訪時，就為這兩臺火星車總結(jié)了十大貢獻。如今，他的總結(jié)依然適合于為“機遇號”蓋棺論定：

1.大氣動力學(xué)

“機遇號”和“勇氣”號都用自身攜帶的APXS探測到火星大氣中的argon，用這種稀有氣體作為跟蹤指標，對火星大氣的動力學(xué)進行了研究。

2.火星塵暴

火星塵暴的發(fā)生很頻繁，也很難尋找規(guī)律。不過兩臺火星車還是設(shè)法描繪出了沙土如何在火星大氣中被風(fēng)吹著運動的圖景。

3.水和冰霜

從橄欖石礦表面物質(zhì)以及古瑟夫撞擊坑中，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)存的水或者冰霜。

4.還是現(xiàn)代的水

“勇氣號”發(fā)現(xiàn)了硫酸鐵在水作用下深入土壤下方的痕跡。

5.水和灼熱巖石的相互作用

“勇氣號”在古瑟夫撞擊坑附近發(fā)現(xiàn)了水和巖漿相互作用的遺跡。

6.古代水熱對流系統(tǒng)

這也是“勇氣號”發(fā)現(xiàn)的。

7.風(fēng)成的波紋狀地貌

“機遇號”在降落位置附近遇到了風(fēng)吹形成的波紋狀地貌，但不是近年形成的，或許火星自轉(zhuǎn)方向曾經(jīng)發(fā)生過變化。

8.火星上的隕石

“機遇號”在降落地點附近發(fā)現(xiàn)了一些隕石。

9.火星曾經(jīng)有宜居環(huán)境

“機遇號”發(fā)現(xiàn)，從前火星可能是宜居的。不過這可能是40億年之前的事情了。

10.古代酸性湖泊

“機遇號”降落位置附近發(fā)現(xiàn)了硫酸鹽化的巖石和土壤，是古代酸性湖泊和地下水上升的產(chǎn)物。