王帥 李鵬 郭文博 張揚(yáng)眉

（1北京空間科技信息研究所 2中國空間技術(shù)研究院發(fā)展計(jì)劃部）

美國東部時間2021年2月18日15:55，“火星2020”（Mars 2020）探測器攜帶毅力號（Perseverance）火星車，在經(jīng)歷“恐怖七分鐘”的進(jìn)入、下降和著陸（EDL）過程后，最終成功著陸在杰澤羅（Jezero）環(huán)形山。接下來，毅力號將在火星表面工作至少1個火星年（687個地球日）。該任務(wù)的科學(xué)探測目標(biāo)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，將其存儲在容器中，供未來的火星任務(wù)帶回地球。

1 任務(wù)基本情況及歷程

“火星2020”任務(wù)屬于美國國家航空航天局（NASA）“火星探測計(jì)劃”，任務(wù)目標(biāo)主要是探測火星的宜居性，尋找生命存在的痕跡，采集樣品等待后續(xù)任務(wù)帶回地球，測試火星大氣制氧技術(shù)，為未來載人任務(wù)做準(zhǔn)備?！盎鹦?020”任務(wù)由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）管理，成本高達(dá)27.713億美元，其中規(guī)劃成本為3.976億美元，研制與發(fā)射成本為20.362億美元，運(yùn)行成本為3.375億美元。

“火星2020”探測器由三部分組成，包括巡航級、EDL系統(tǒng)和毅力號火星車。毅力號是NASA迄今為止建造的體積最大、質(zhì)量最重的火星車，繼承了好奇號（Curiosity）的設(shè)計(jì)，質(zhì)量為1025kg。毅力號還攜帶了一架名為機(jī)智號（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。

2020年7月30日，“火星2020”探測器搭乘宇宙神－5－541（Atlas－5－541）運(yùn)載火箭從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射。經(jīng)歷近7個月的巡航階段后，探測器到達(dá)火星。

按照飛行計(jì)劃，2021年2月18日15：38，巡航段分離；15：48，探測器以約19500km/h的速度進(jìn)入火星大氣層頂部；15：49，探測器底部熱度達(dá)到峰值，約為1300℃；15：52，在超音速狀態(tài)下打開降落傘，準(zhǔn)確的時間基于新的“距離觸發(fā)器”（Range Trigger）技術(shù)；開傘后約20s，EDL系統(tǒng)底部分離，火星車可以使用雷達(dá)確定距地面的距離，并利用“地形相對導(dǎo)航”（Terrain-Relative Navigation）技術(shù)尋找安全著陸點(diǎn)；15：54，EDL系統(tǒng)中連接降落傘的后殼分離，“噴氣背包”（Jetpack）利用反推發(fā)動機(jī)減速并飛向著陸地點(diǎn)；15：55，毅力號火星車?yán)谩翱罩械踯嚒保⊿ky Crane）以大約2.7km/h的速度著陸在火星表面。

毅力號著陸過程

上述時間為地面團(tuán)隊(duì)收到信號的時間，對于“火星2020”探測器而言，這些時間需要提前11分22秒（地火通信所需時間）。

著陸后，毅力號開始進(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、升級火星車飛行軟件、對所有儀器進(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，毅力號將尋找一塊平地部署機(jī)智號直升機(jī)，然后毅力號將行駛至安全位置，機(jī)智號則將在約30天時間內(nèi)進(jìn)行一系列測試飛行。在完成直升機(jī)測試飛行后，毅力號將開始探測活動。

2 著陸和探測特點(diǎn)分析

全球第九次成功著陸火星，迄今為止最大火星巡視器

火星著陸探測是當(dāng)前難度最高的航天任務(wù)之一，成功率不到50%。截至2021年2月，全球共實(shí)施了47次火星探測任務(wù)，其中著陸和巡視任務(wù)為22次，包括火衛(wèi)一（Phobos）采樣返回任務(wù)“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）。在已實(shí)施的21次火星著陸和巡視任務(wù)中，有15次成功進(jìn)入火星大氣，僅有9次任務(wù)完全成功著陸。美國實(shí)施的10次著陸任務(wù)全部進(jìn)入火星大氣，僅失敗1次，其余9次全部成功；蘇聯(lián)/俄羅斯實(shí)施的9次著陸任務(wù)僅有3次進(jìn)入火星大氣，火星－3（Mars－3）成功完成了著陸，但只返回了20s的信息，并不算完全成功；歐洲實(shí)施的2次著陸任務(wù)全部進(jìn)入火星大氣，但均以失敗告終。

“火星2020”探測器成功完成了全球第九次火星著陸，再次證明了美國在火星探測，特別是EDL技術(shù)方面的絕對領(lǐng)先。著陸火星的毅力號火星車質(zhì)量為1025kg，是迄今最大的火星巡視器。在此之前，共有4輛火星車成功著陸火星，分別為10.5kg的索杰納號(Sojourner)、185kg的機(jī)遇號（Opportunity）和勇氣號（Spirit）、以及899kg的好奇號。

重視宜居性和生命探測，著陸地點(diǎn)充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)

美國火星探測的科學(xué)戰(zhàn)略演化

經(jīng)歷了半個世紀(jì)的探測，人類對于火星基本物理參數(shù)、空間與表面環(huán)境、地形地貌與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、表面物質(zhì)等方面都取得了一定的認(rèn)知，已經(jīng)從全球遙感探測向表面和巡視探測進(jìn)行轉(zhuǎn)變，目標(biāo)也從探測行星環(huán)境向?qū)ふ宜^渡，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)閷ふ一鹦巧圹E。2011年，NASA宣布美國的火星探測從“追蹤水的痕跡”正式轉(zhuǎn)變?yōu)椤八褜ど盘枴薄?011年“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”（MSL）之后任務(wù)的科學(xué)戰(zhàn)略目標(biāo)主要是“尋找生命信號”、“探測適居性”和“為載人探測做準(zhǔn)備”?！盎鹦?020”的任務(wù)目標(biāo)完全對應(yīng)于上述科學(xué)戰(zhàn)略目標(biāo)，除保存樣品之外，主要是探測火星宜居性、尋找生命痕跡以及為未來載人火星任務(wù)做準(zhǔn)備。

為完成科學(xué)目標(biāo)，“火星2020”攜帶的毅力號火星車的著陸地點(diǎn)為杰澤羅環(huán)形山，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”時期，可能曾出現(xiàn)過微生物。因此毅力號有可能在河床中尋找到相關(guān)證據(jù)。此外，毅力號還將為火星地質(zhì)學(xué)和氣候研究提供重要數(shù)據(jù)。

杰澤羅環(huán)形山是尋找古代微生物生命跡象的理想場所，但由于該地區(qū)地勢不平坦，存在著陡峭的懸崖、沙子、巨石和撞擊坑，對于著陸精度提出了更高的要求。

第二次采用“空中吊車”，引入新技術(shù)提高著陸精度

傳統(tǒng)的火星減速方式都采用了大氣制動、降落傘和制動發(fā)動機(jī)相結(jié)合的方式，而質(zhì)量較大的好奇號和毅力號采用了“空中吊車”技術(shù)。“空中吊車”相比于背負(fù)火星車的著陸器而言，不需要緩沖機(jī)構(gòu)、火星車駛離著陸器的系統(tǒng)等，對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求也低，因此可以有效降低著陸系統(tǒng)的質(zhì)量，提高火星車質(zhì)量在整個探測器系統(tǒng)的比重；“空中吊車”還可以持續(xù)工作到火星車著陸，避免發(fā)動機(jī)對火星表面的影響，減小最終著陸的速度并提高著陸精度；同時，“空中吊車”與火星車的組合體重心較低，更加穩(wěn)定，不容易發(fā)生側(cè)翻，同時對于地形要求也低，可以提高著陸的安全性。

由于毅力號的著陸地點(diǎn)—杰澤羅環(huán)形山布滿陡峭的懸崖、沙子、巨石和撞擊坑，對著陸精度有著更高的要求，因此NASA在利用好奇號成熟著陸技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一系列二次創(chuàng)新，包括“距離觸發(fā)器”和“地形相對導(dǎo)航”，有效提高了著陸精度?！熬嚯x觸發(fā)器”技術(shù)是一項(xiàng)設(shè)置降落傘展開時刻的技術(shù)，即選擇合適的時刻啟動釋放降落傘的“觸發(fā)器”，從而將著陸橢圓的范圍減小50%，達(dá)到約10km。“地形相對導(dǎo)航”技術(shù)通過“拍攝降落圖像、對比星載地圖、及時避障”等步驟，精確操控著陸最后階段，可使著陸器具有“眼睛和地圖”的功能。

采集并存儲火星樣品，驗(yàn)證多項(xiàng)新型探測技術(shù)

下降過程中的毅力號火星車

機(jī)智號直升機(jī)

毅力號是首個攜帶樣品存儲系統(tǒng)登陸火星表面的探測器，將首次鉆取并存儲用于采樣返回任務(wù)的巖石核心樣品，計(jì)劃采集至少30份樣品。與好奇號鉆取打磨巖石不同，毅力號將巖石芯切斷為粉筆大小，并放置在樣品管中存儲起來，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。同時，毅力號攜帶的機(jī)智號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。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)。毅力號的著陸還將為NASA的洞察號（Insight）任務(wù)提供幫助，其著陸產(chǎn)生的地震信號，可能被洞察號探測到，這也將是首次利用一個探測器“傾聽”另一個探測器著陸在地外天體上。

3 小結(jié)

作為NASA最新的旗艦級火星探測任務(wù)，“火星2020”代表了美國最高的技術(shù)水平，其著陸采用的多項(xiàng)新型技術(shù)以及后續(xù)試驗(yàn)的火星直升機(jī)和火星大氣制氧技術(shù)，都將為未來無人或載人火星探測奠定基礎(chǔ)，是當(dāng)前需要重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)。“火星2020”邁出了美歐火星采樣返回計(jì)劃的第一步，NASA和歐洲航天局（ESA）正積極推動后續(xù)任務(wù)發(fā)展，火星采樣返回可能成為主要航天大國新的競爭焦點(diǎn)。

毅力號傳回的首張彩色火星表面照片