張揚(yáng)眉（北京空間科技信息研究所）

“火星2020”（Mars 2020）是美國國家航空航天局（NASA）的一項(xiàng)火星巡視探測任務(wù)，于北京時(shí)間2020年7月30日19:50由宇宙神－5－541（Atlas－5－541）運(yùn)載火箭從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射。該任務(wù)的科學(xué)探測目的為探尋火星過去的宜居條件，探索火星表面遠(yuǎn)古的生命痕跡，并采集火星巖石和土壤樣品，將其存儲(chǔ)在容器中，供未來的火星采樣返回任務(wù)帶回地球?！盎鹦?020”探測器攜帶毅力號(hào)（Perseverance）火星車，將于2021年2月18日著陸火星表面，工作時(shí)間為至少1個(gè)火星年（687個(gè)地球日）。

1 任務(wù)背景

“火星2020”任務(wù)屬于NASA的“火星探測計(jì)劃”。美國國家研究委員會(huì)（NRC）曾于2011年發(fā)布行星科學(xué)10年調(diào)查報(bào)告—《2013－2022年行星科學(xué)愿景與航程》，該報(bào)告將火星采樣返回任務(wù)列為未來10年優(yōu)先級(jí)最高的旗艦級(jí)深空探測任務(wù)?！盎鹦?020”任務(wù)則作為未來美國火星采樣返回任務(wù)的第一階段，將采集火星樣品，供未來任務(wù)送回地球。

2013年11月，“火星2020”項(xiàng)目開始規(guī)劃；2014年10月，完成系統(tǒng)需求/任務(wù)定義評(píng)審；2016年2月，完成初步設(shè)計(jì)評(píng)審；2017年2月，完成關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審；2018年2月，完成系統(tǒng)集成評(píng)審；2020年1月，完成美國政府問責(zé)辦公室（GAO）評(píng)審。

“火星2020”項(xiàng)目由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）管理，項(xiàng)目原計(jì)劃總成本為24.4億美元，其中規(guī)劃成本為3.91億美元，研發(fā)成本為16.77億美元，運(yùn)行成本為3.76億美元。2020年1月，GAO發(fā)布評(píng)估報(bào)告，稱該項(xiàng)目超支11.6%，總成本達(dá)到27.26億美元，其中規(guī)劃成本為3.98億美元，研發(fā)成本為20.36億美元，運(yùn)行成本為2.92億美元。該項(xiàng)目的國際合作伙伴包括法國國家空間研究中心（CNES）、西班牙國家航空航天技術(shù)研究所天體物理學(xué)中心（INTA-CAB）、挪威國防研究所（FFI）、意大利航天局（ISA）等。

在推進(jìn)后續(xù)的火星采樣返回任務(wù)方面，2019年，NASA和歐洲航天局（ESA）繼續(xù)推動(dòng)聯(lián)合實(shí)施火星采樣返回任務(wù)的方案和探測器設(shè)計(jì)研究。雙方曾于2018年簽署了合作意向聲明，將合作開展火星采樣返回任務(wù)，其中ESA負(fù)責(zé)提供取樣火星車以及地球返回軌道器，NASA提供將樣品發(fā)射至火星軌道的火星上升器。

2 任務(wù)基本情況

任務(wù)目標(biāo)

“火星2020”攜帶的毅力號(hào)火星車將在杰澤羅環(huán)形山（Jezero Crater）著陸，該地區(qū)經(jīng)歷了濕潤、干涸、再濕潤、再干涸的變化過程。約35億年以前，有河道水流經(jīng)過該環(huán)形山壁，形成一個(gè)湖泊，河水?dāng)y帶附近區(qū)域的黏土礦物質(zhì)進(jìn)入環(huán)形山，但之后該湖泊逐漸干涸。在該地區(qū)的“濕潤”時(shí)期，可能曾出現(xiàn)過微生物，因此毅力號(hào)有可能在河床中尋找到相關(guān)證據(jù)。此外，毅力號(hào)還將為火星地質(zhì)學(xué)和氣候研究提供重要數(shù)據(jù)。毅力號(hào)有以下4項(xiàng)科學(xué)目標(biāo)。

1）探測火星的宜居性：鑒別可以支持微生物生命的火星遠(yuǎn)古環(huán)境；

2）尋找生命痕跡：尋找這些宜居環(huán)境里微生物生命存在的痕跡，尤其是那些已知可以長期保留生命痕跡的特殊巖石；

3）保存樣品：采集核心巖石和土壤的樣品，并將其存儲(chǔ)起來，放置于火星表面的容器內(nèi)；

4）為未來載人火星任務(wù)做準(zhǔn)備：測試?yán)没鹦谴髿庵圃煅醯募夹g(shù)。

探測器設(shè)計(jì)

（1）整體設(shè)計(jì)

“火星2020”探測器由三部分組成：巡航級(jí)，進(jìn)入、下降和著陸（EDL）系統(tǒng)，以及毅力號(hào)火星車。

探測器的EDL系統(tǒng)繼承了好奇號(hào)（Curiosity）火星車的設(shè)計(jì)，但在此基礎(chǔ)上采用了一些新技術(shù)，包括距離觸發(fā)器，地形相對(duì)導(dǎo)航，火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入、下降和著陸儀器－2（MEDLI2），以及EDL相機(jī)和麥克風(fēng)等。

“火星2020”探測器構(gòu)型圖

毅力號(hào)是NASA迄今為止建造的體積和質(zhì)量最大的火星車，繼承了好奇號(hào)的設(shè)計(jì)，大小類似一輛緊湊型小轎車，尺寸為3m×2.7m×2.2m，質(zhì)量為1025kg，工作壽命為1個(gè)火星年。

毅力號(hào)利用多任務(wù)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（MMRTG）提供能源，該發(fā)生器質(zhì)量為45kg，利用4.8kg的二氧化钚進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，工作壽命為14年，發(fā)射時(shí)的功率為110W。此外，毅力號(hào)還配備有2套鋰離子可充電電池組。在通信中繼方面，毅力號(hào)利用深空網(wǎng)（DSN）與地球通信，配備了特高頻（UHF）低增益天線、X頻段高增益天線，通過NASA在軌的火星軌道器中繼大部分科學(xué)數(shù)據(jù)，或直接與地面進(jìn)行通信。此外，毅力號(hào)的超級(jí)相機(jī)（SuperCam）以及車身側(cè)面各安裝了一個(gè)麥克風(fēng)，將首次捕捉降落過程中的聲音，以及毅力號(hào)工作過程中的聲音。

毅力號(hào)共有6個(gè)輪胎，鋁材料制成，直徑為52.5cm，每個(gè)輪胎都有獨(dú)立的電機(jī)，2個(gè)前輪和2個(gè)后輪具有獨(dú)立的轉(zhuǎn)向電機(jī)，能夠原地360°轉(zhuǎn)彎，可攀登40cm高的巖石。相比好奇號(hào)，毅力號(hào)的輪胎具有更好的耐磨性和摩擦力，且尺寸也進(jìn)行了改良，直徑更大，寬度更窄。

毅力號(hào)火星車有效載荷分布情況

（2）有效載荷

毅力號(hào)將攜帶7種有效載荷，總質(zhì)量59kg，分別為桅桿相機(jī)-Z（Mastcam-Z）、超級(jí)相機(jī)、X射線巖石化學(xué)行星儀器（PIXL）、“夏洛克”（SHERLOC）、火星氧氣原位資源利用實(shí)驗(yàn)（MOXIE）、火星環(huán)境動(dòng)態(tài)分析儀（MEDA）、火星亞表面雷達(dá)成像實(shí)驗(yàn)（RIMFAX）。

（3）采樣和存儲(chǔ)分系統(tǒng)

毅力號(hào)的采樣和存儲(chǔ)分系統(tǒng)包括3臺(tái)裝置：機(jī)械臂、樣品傳送盤、適應(yīng)性存儲(chǔ)組合，共配有9個(gè)鉆頭，43個(gè)樣品管。這些裝置將共同協(xié)作，采集巖石和土壤樣品并將其封存在樣品管中，最后將上述樣品管存放在火星表面，供未來的火星任務(wù)獲取并送回地球。毅力號(hào)計(jì)劃采集至少30份樣品。

1）機(jī)械臂。毅力號(hào)裝有一個(gè)具有5個(gè)關(guān)節(jié)、長2.1m的機(jī)械臂，上面裝有一個(gè)可裝載鉆頭和儀器的45kg的云臺(tái)。該機(jī)械臂裝在毅力號(hào)底盤的前部，可以伸縮移動(dòng)。云臺(tái)包括一個(gè)提取器、一個(gè)用于獲取巖石和土壤樣品的可旋轉(zhuǎn)的撞擊設(shè)備。一小罐壓縮氮?dú)饪捎糜诖瞪悠飞系膲m埃和其他粒子，以供安裝在云臺(tái)上的“夏洛克”和PIXL進(jìn)行樣品分析。當(dāng)科學(xué)團(tuán)隊(duì)確定了值得采樣的巖石或土壤后，將向毅力號(hào)傳送指令，機(jī)械臂將裝著樣品管的巖石鉆頭或土壤鉆頭裝在提取器上，鉆頭在目標(biāo)位置開始鉆取樣品。鉆頭有“旋轉(zhuǎn)”和“沖擊”兩種模式，可將直徑13mm、長度60mm的樣品裝入采樣管中。樣品的平均質(zhì)量為10～ 15g。

毅力號(hào)火星車將把巖石和土壤樣本儲(chǔ)存在密封管中，以備將來的任務(wù)獲取

2）樣品傳送盤。在采集到樣品后，機(jī)械臂將樣品管放入樣品傳送盤中。該傳送盤安裝在毅力號(hào)的前部，形狀類似一個(gè)圓形飛碟。傳送盤內(nèi)存儲(chǔ)著空鉆頭，可將樣品運(yùn)送給云臺(tái)上的取樣器。一旦取樣器獲得一份樣品，傳送盤隨即將裝好的樣品管從取樣器運(yùn)送到毅力號(hào)的“腹部”。在毅力號(hào)內(nèi)部，裝有樣品的樣品管將被傳送至適應(yīng)性存儲(chǔ)組合。

3）適應(yīng)性存儲(chǔ)組合。該存儲(chǔ)組合包括樣品處理臂、樣品管組合、樣品管封裝和其他各種工作站。當(dāng)樣品傳送盤將裝載樣品的樣品管傳送到適應(yīng)性存儲(chǔ)組合時(shí)，0.5m長的樣品處理臂隨即將該樣品管移動(dòng)到處理站。處理站測量該樣品的容量并拍攝照片，密封樣品管并將其存儲(chǔ)起來。之后，當(dāng)毅力號(hào)抵達(dá)合適的地點(diǎn)，樣品處理臂將密封的樣品管取出，放置在火星表面，供未來的任務(wù)獲取。

（4）機(jī)智號(hào)直升機(jī)

此外，毅力號(hào)還攜帶了一架名為機(jī)智號(hào)（Ingenuity）的火星直升機(jī)。該直升機(jī)研發(fā)和運(yùn)行費(fèi)用約為8500萬美元，質(zhì)量為1.8kg，高0.49m，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)直徑為1.2m，配備2對(duì)反向螺旋槳，葉片反向轉(zhuǎn)速2400r/min，大約是標(biāo)準(zhǔn)地面直升機(jī)轉(zhuǎn)速的8倍左右。直升機(jī)機(jī)身尺寸為13.6cm×19.5cm×16.3cm，4條 腿， 每 條 腿 長0.384m。該直升機(jī)配有太陽電池陣和鋰離子電池組，可為每個(gè)火星日進(jìn)行一次90s的飛行提供足夠電能。直升機(jī)采用無線通信，配備有計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航敏感器和2臺(tái)相機(jī)（1臺(tái)彩色、1臺(tái)黑白）。機(jī)智號(hào)將成為世界首架在火星大氣中飛行的直升機(jī)，以及首架在地外星體表面進(jìn)行受控飛行的飛行器。機(jī)智號(hào)并未攜帶有效載荷，僅進(jìn)行技術(shù)演示驗(yàn)證。機(jī)智號(hào)安裝在毅力號(hào)的“腹部”位置，將在30天內(nèi)進(jìn)行1次或多次火星表面飛行，每次飛行時(shí)間不超過3min，高度在距離火星表面3～10m，每次飛行距離可達(dá)到600m左右。機(jī)智號(hào)的主要目標(biāo)如下：

機(jī)智號(hào)直升機(jī)

1）在稀薄的火星大氣中進(jìn)行受控飛行；

2）演示驗(yàn)證小型化飛行技術(shù)，這就要求星上計(jì)算機(jī)、電子元件和其他元件的小型化，從而使得直升機(jī)的質(zhì)量足夠輕；

3）自主運(yùn)行，機(jī)智號(hào)利用太陽能為其電池組充電，在寒冷的火星夜晚依靠內(nèi)部加熱器維持運(yùn)行溫度。由于來自地球的指令是由火星車中繼到直升機(jī)，因此每次測試飛行都沒有實(shí)時(shí)輸入，需要自主運(yùn)行。

任務(wù)歷程

“火星2020”探測器的發(fā)射窗口為2020年7月20日－8月11日。探測器將經(jīng)歷發(fā)射、巡航、著陸、火星表面工作共4個(gè)階段。

探測器發(fā)射后57min，與運(yùn)載火箭分離，開始飛向火星，進(jìn)入巡航階段。在長達(dá)213天的巡航階段，探測器將進(jìn)行多次軌道機(jī)動(dòng)，并在最后的45天開始接近火星。在探測器進(jìn)入火星大氣前10min時(shí)，巡航階段結(jié)束，EDL階段開始。7min后，毅力號(hào)將在火星表面著陸。

毅力號(hào)著陸過程

毅力號(hào)計(jì)劃于2021年2月18日在火星表面的杰澤羅環(huán)形山著陸。之后，毅力號(hào)將進(jìn)行初始檢測以及為期約30天的試運(yùn)行，包括部署桅桿和高增益天線、開始拍攝著陸點(diǎn)圖像、升級(jí)火星車飛行軟件、對(duì)所有儀器進(jìn)行健康檢查、機(jī)械臂測試、短暫行駛測試、放下保護(hù)直升機(jī)的托板等操作。之后，毅力號(hào)將尋找一塊平地部署機(jī)智號(hào)直升機(jī)，毅力號(hào)將行駛至安全位置并在約30天的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行一系列測試飛行。在完成直升機(jī)測試飛行后，毅力號(hào)將開始探測活動(dòng)。

3 任務(wù)特點(diǎn)分析

首次使用火星直升機(jī)，為未來任務(wù)驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)

“火星2020”任務(wù)的一大特點(diǎn)是首次使用火星直升機(jī)。與地球相比，火星表面氣體非常稀薄，且晝夜溫差大，直升機(jī)必須設(shè)計(jì)得很輕，且旋翼要更大，轉(zhuǎn)速更快。工程團(tuán)隊(duì)在地面已經(jīng)對(duì)直升機(jī)在火星模擬條件下進(jìn)行了各種受控飛行測試，并對(duì)火星直升機(jī)制定了幾項(xiàng)里程碑目標(biāo)，包括成功發(fā)射、巡航并在火星表面著陸、從毅力號(hào)上成功部署至火星表面、在火星夜晚自動(dòng)保持溫度、利用太陽電池陣自動(dòng)充電、成功實(shí)施首次飛行等，一旦該直升機(jī)此次任務(wù)取得成功，則可以將該技術(shù)應(yīng)用到未來的深空探測任務(wù)中，以完成拍攝分辨率更高的圖像、進(jìn)行地形勘測、向其他探測地點(diǎn)運(yùn)送有效載荷等任務(wù)，極大提高探測的效率和科學(xué)回報(bào)。

在成熟的EDL技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次創(chuàng)新

毅力號(hào)的著陸技術(shù)延用了好奇號(hào)的“空中吊車”（Sky Crane）技術(shù)，從而大大降低了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和研發(fā)成本。但在利用成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，NASA還進(jìn)行了一系列二次創(chuàng)新，包括距離觸發(fā)器、地形相對(duì)導(dǎo)航、MEDLI2，以及EDL相機(jī)和麥克風(fēng)等，大大提高了著陸精度，豐富了探測數(shù)據(jù)。

1）距離觸發(fā)器技術(shù)：這是一項(xiàng)設(shè)置降落傘展開時(shí)刻的技術(shù)，即選擇合適的時(shí)刻啟動(dòng)釋放降落傘的“觸發(fā)器”，從而將著陸橢圓的范圍減小50%，達(dá)到約10km。以往的任務(wù)都是在探測器達(dá)到所需速度之后盡可能早地部署降落傘。而毅力號(hào)任務(wù)的距離觸發(fā)器則是基于探測器相對(duì)于理想著陸目標(biāo)的位置來展開降落傘，也就是說降落傘的展開時(shí)間可早可晚，這取決于探測器與著陸地點(diǎn)的距離。如果探測器即將飛過著陸地點(diǎn)，那么降落傘就可能會(huì)早一些展開。如果探測器還未能到達(dá)著陸地點(diǎn)，那么降落傘則可能在稍后探測器飛得更近時(shí)展開。

2）地形相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)：通過拍攝降落圖像、對(duì)比星載地圖、及時(shí)避障等步驟，精確操控著陸最后階段。在探測器著陸前，軌道器創(chuàng)建一張著陸地點(diǎn)的地圖，其中包括已知的危險(xiǎn)要素。毅力號(hào)將該地圖存儲(chǔ)在其計(jì)算機(jī)中。在利用降落傘下降時(shí)，毅力號(hào)拍攝接近火星表面時(shí)的圖像。隨后，毅力號(hào)快速比較其拍攝到的圖像和星上計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的圖像，如果前方出現(xiàn)直徑為300m以內(nèi)的危險(xiǎn)區(qū)域，毅力號(hào)可改變方向飛行，最終降落在更為安全的區(qū)域。

3）MEDLI2：下一代EDL敏感器套件，測量EDL過程中隔熱罩和探測器后部的溫度和壓力。該儀器是基于之前的MEDLI設(shè)計(jì)的，MEDLI僅收集隔熱罩的數(shù)據(jù)，而MEDLI2則收集隔熱罩和探測器后部的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可協(xié)助工程師設(shè)計(jì)未來EDL系統(tǒng)的模型。

4）EDL相機(jī)和麥克風(fēng)：相比好奇號(hào)，毅力號(hào)增加了多個(gè)下降相機(jī)，相機(jī)套件包括降落傘“上方”相機(jī)、下降級(jí)“下方”相機(jī)、火星車“上方”相機(jī)、火星車“下方”相機(jī)，可拍攝著陸過程中的圖像，增強(qiáng)公眾參與度。此前好奇號(hào)的著陸過程僅為虛擬動(dòng)畫，并沒有真實(shí)的圖像或視頻。而毅力號(hào)將可以向公眾展示其降落傘在火星大氣中展開、火星車由“空中吊車”系繩牽引下降到火星表面、切斷系繩、下降級(jí)飛離等細(xì)節(jié)。此外，EDL系統(tǒng)還帶有麥克風(fēng)，用于捕捉EDL過程中例如下降發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火等各種聲音。

演示驗(yàn)證先進(jìn)技術(shù)，邁出火星采樣返回任務(wù)第一步

毅力號(hào)將是首個(gè)攜帶樣品存儲(chǔ)系統(tǒng)登陸火星表面的探測器，將首次鉆取并存儲(chǔ)用于采樣返回任務(wù)的巖石核心樣品。與好奇號(hào)鉆取打磨巖石不同，毅力號(hào)將巖石芯切斷為粉筆大小，并放置在樣品管中存儲(chǔ)起來，等待未來的取樣車將樣品帶走，這將為未來火星采樣返回任務(wù)邁出第一步。

此外，毅力號(hào)采用了大量新技術(shù)、系統(tǒng)和儀器，例如“地形相對(duì)導(dǎo)航”技術(shù)、制氧技術(shù)、環(huán)境動(dòng)態(tài)分析儀、MEDLI2相機(jī)等，都可用于未來的火星采樣返回甚至載人火星探測。

重視科普作用，鼓勵(lì)公眾參與

“火星2020”任務(wù)非常重視對(duì)于公眾的科普作用，鼓勵(lì)公眾參與到任務(wù)中去?！盎鹦?020”共攜帶創(chuàng)紀(jì)錄的25臺(tái)相機(jī)，其中毅力號(hào)火星車攜帶了19臺(tái)，機(jī)智號(hào)直升機(jī)攜帶2臺(tái)，后殼安裝3臺(tái)，下降級(jí)安裝1臺(tái)。除完成科學(xué)探測目標(biāo)外，這些相機(jī)能夠最大程度地向公眾呈現(xiàn)探測器著陸、工作的細(xì)節(jié)，且和其他火星探測任務(wù)一樣，公眾可以在互聯(lián)網(wǎng)上下載毅力號(hào)拍攝的圖像。毅力號(hào)此次還攜帶了以莫斯電碼書寫“一起探索”（Explore as one）的陽極板，以及3塊刻著1090萬公眾簽名的硅芯片一同前往火星。

此外，NASA還在其任務(wù)官方網(wǎng)站上舉行了一系列科普活動(dòng)，包括“火星問答”、“幫助NASA重塑火星車輪胎”、“毅力號(hào)背景相框”、“遨游虛擬發(fā)射現(xiàn)場”、“再次送你的名字去火星”等，極大提高了公眾對(duì)于毅力號(hào)任務(wù)的關(guān)注程度，有效調(diào)動(dòng)了公眾參與的積極性。