寻找生命迹象！透析美国“毅力号”火星漫游车，10周后就将升空

距离美国国家航空航天局（NASA）主导的“Mars 2020”火星探测任务发射仅剩10周的时间，近期本次火星探测任务的核心——“毅力”号火星漫游车（Perseverance Rover）也已经完成了载荷平衡试验，并在进行最终的调试。“毅力”号将在“宇宙神”5-541运载火箭和“半人马座”上面级的协助下降落在杰泽罗陨石坑（Jezero Crater），并将肩负着探测火星地质、寻找火星生命迹象、尝试利用火星大气制造氧气等艰巨任务。

一、火星探索历程

欧美过去20余年的火星探索表明，火星曾经与今天这个寒冷、干燥的星球有很大的不同，数十亿年前的火星环境是潮湿的，并且很可能生存过微生物。

二、“毅力”号使命及任务方式

1.使命

确定火星上是否曾经存在生命：“毅力”号的任务重点是研究火星表面环境，在岩石样品中寻找生命迹象和寻找过去曾存在生命的证据；

研究火星气候状况：“毅力”号依靠搭载的先进设备考察火星气候状况，为研究人员判断火星是否具有宜居的可能性收集数据；

研究火星的地质特征：“毅力”号将通过研究岩石土壤，揭示火星地壳和地表长年演变的过程，陨石坑和山脉中的岩层可能包含了火星过去的地质记录；

为人类探索做好准备：“毅力”号会验证利用火星资源支持生命和制造燃料的关键技术，还会监测大气环境并收集数据，为未来登陆火星提供参考。

2.任务方式

“毅力”号最具创新意义的是采用了“站点缓存”任务策略。“毅力”号可以收集岩石和土壤的岩心样品，并将它们放在火星表面的“缓存站点”中。这是一种收集、存储和保存样品的尝试，也是首次从火星岩石和土壤中提取岩心样品。在未来的火星探测任务中，宇航员可能会把这些样品带回地球进行研究。

如上图所示，“毅力”号安全降落后从着陆点沿着实心白线行驶，到达第一个采集点后取样，继续行进并在第二个采集点取样。“毅力”号在第二个采样点“缓存”样品，并继续沿图示虚线执行拓展任务，每次拓展任务取样后都会回到第二个采集点“缓存”样品。预计“毅力”号将在火星表面运行一个火星年（约687个地球日）。

“毅力”号具体任务目标为：

• 描绘探索区域内的地质形成变化，寻找曾有生命存在过的证据；
• 判断火星远古时期是否具有宜居的环境；
• 收集具有生命特征的土壤样品（如有）；
• 从大约30块岩石和土壤（风化层）中钻取具备上述任务特征的岩芯样本，并将其“缓存”在火星表面；
• 尝试利用火星大气制造氧气；
• 收集火星大气中尘埃颗粒的信息数据，检验其对人体健康的影响；
• 收集火星气候的数据用来验证火星气候模型。

三、“毅力”号研制历程

四、“毅力”号的整车设计

1.整体概况

“毅力”号的设计是在“好奇者”号的基础上开展的，主要材料为铝合金和钛合金，整车大约3米长、2.7米宽和2.2米高，整车仅重1025千克，配有一条长约2.1米的机械臂，机械臂由五节构成并且可以随意转动。“毅力”号有六个铝制车轮（直径52.5厘米），每个车轮由钛合金制辐条提供弹性支撑，铝制车轮上还覆盖有用于牵引的防滑钉，在平坦、坚硬的地面上，最高速度为每小时152米。“毅力”号主要动力来源为多任务放射性同位素热电发动机（MMRTG），热源为4.8千克的二氧化钚。“毅力”号搭载了七种高精尖设备以完成上述任务目标，分别是：

• 具有全景和立体成像功能的高级相机系统MASTCAM-Z
• 火星环境动力学分析仪MEDA
• 制氧仪器MOXIE
• X射线行星岩石分析仪器PIXL
• 火星地下实验雷达影像仪器RIMFAX
• 生命迹象探测设备SHERLOC
• 激光扫描仪器SuperCam

2.车身车轮结构

火星地表平均气温仅为-46℃，夜晚最低温度低至-140℃，“毅力”号车身主要作用是保温和保护车载电脑和内部系统。车身底部和侧面是机箱的框架，上部由“设备甲板”覆盖，非常类似于敞篷车，桅杆和相机能够平稳地放置在甲板上。另外车身底部的前端（距离前端约0.6米处）设有腹板，当整车平稳降落后腹板内部空间会暴露在火星大气中，这部分空间将用来存放土壤样品。

“毅力”号六个车轮都有自己独立的马达，前轮和后轮还各有单独的转向马达，这样可以让整车在原地自由进行360°旋转。六个车轮采用“摇臂-转向架”（rocker-bogie）的悬挂系统，悬挂系统由差速器、摇臂和转向架构成，在起伏的地面上行驶时，悬架系统可以使每个车轮上承载相对恒定的重量，还可以在行驶时最大程度降低车辆的倾斜度，使车辆更加稳定。

3.机械臂结构

机械臂总长2.1米，具有五个自由度，分别是肩部方位角节点、肩部高度节点、肘部节点、腕部节点和转台节点，每个节点由微型电动机（rotary actuators）控制。机械臂的末端是一个转台，转台上安装有X射线行星岩石分析仪器（PIXL）、气态除尘工具（GDRT）、生命迹象探测设备（SHERLOC）、辅助照相机（WATSON）和钻头（Drill）。

转台钻头有三种不同的类型（取芯钻头、风化层钻头、磨砂钻头），每个钻头直径为27毫米，取芯钻头和风化层钻头用于直接将火星样本收集到样品收集管中，而磨砂钻头用于刮除岩石表层，使未风化的表面暴露方便研究。取芯钻头可以从岩芯钻取样品，并将岩芯样品从底部切碎，完整收集到样品收集管中，平均每个岩芯样品直径13毫米，长60毫米，重10-15克；风化层钻头可以在火星表面收集松散的岩石材料或风化层。

“毅力”号可以携带43个样品收集管和5个对照管。当机械臂收回采集的样品时，车身底部的小型机械臂将收集管准备就绪，并协助转移、封装、存放装有样品的收集管。

5个对照管是试验中的对照组，将提前装有各种“污染物”，包括“毅力”号自身可能释放出的气体、点火或推进装置的化学残留物、地球上的可能随“毅力”号带到火星表面的有机物和无机物，且对照管中不会收集任何的样品。对照管会在样品收集地点或样品存储地点周边打开，暴露在火星的大气中。

4.动力系统

“毅力”号通过多任务放射性同位素热电发动机（MMRTG）获取动力。MMRTG可以将二氧化钚放射性自然衰变释放出的热量转换为电力，并且向两个锂离子主电池充电，工作功率约为110瓦。MMRTG释放出的热量还可以用来为车体保温，保证各仪器都在合适的工作温度中。MMRTG安装在“毅力”号的尾部，直径64厘米、长66厘米，重量约为45千克，其中二氧化钚重4.8千克。

MMRTG的工作寿命可达14个地球年，足以保证“毅力”号一个火星年（约2个地球年）的任务需求。另外MMRTG提供的热量可以让“毅力”号在黑夜和整个冬季都能正常工作。

5.旋翼无人机

“毅力”号另一创新点在于携带旋翼无人机登上火星，这是人类首次在另一个星球尝试旋翼飞行。携带旋翼无人机的目的只是一次在火星稀薄空气进行自动控制飞行的实验，所以并未携带任何科学测量仪器。在“毅力”号落地后数月内，旋翼无人机会被放置到地表，利用太阳能为电池充电，并依靠内部加热器在寒冷的火星夜晚保持工作温度。旋翼无人机在接收到通过“毅力”号中继的来自地球的指令后，在没有人员实时控制的情况下自行起飞。

旋翼无人机重约1.8千克，只携带了无线电系统、惯性传感器、高度计、彩色照相机和黑白照相机等设备。旋翼由碳纤维制成，分为上下两层，长1.2米，转速为2400转/分钟。

五、“毅力”号搭载的仪器

1.“毅力”号处理器

“毅力”号有两个计算模块（Rover Compute Element,RCE），当一台RCE工作时另一台处于闲置状态，闲置RCE可以随时启动接管任务。RCE的处理器是有防辐射设计的BAE RAD 750，运行速度可达200MHz,与车载工程设备、科学仪器通过航天标准的接口直接相连，可以直接下达命令、交换数据。RCE存储能力也十分强大：2G闪存（flash memory）、256MB内存（ROM）、256KB只读内存（EEPROM），可以在太空和火星表面的极端辐射环境中稳定工作。

RCE第一项重要任务是确保“毅力”号的“健康”。RCE会实时记录“毅力”号的车内温度、电池电量等多方面数据，保证车辆能够在整个任务中通信畅通和温度稳定，RCE可以根据车内温度自动控制MMRTG的工作功率；RCE第二项重要任务是确保“毅力”号与地球的信息交互，照相、行驶、使用车载科学仪器等动作都是由地球发送指令，经RCE处理后执行。RCE会周期性的收集车况、遥感数据、科学分析资料等信息并存储，可以随时向地球发送这些信息。

2.SuperCam麦克风和EDL麦克风

NASA曾在1999年火星极地登陆器和2008年“凤凰”号火星登陆器安装过麦克风，但都以失败告终。“毅力”号SuperCam麦克风是用于捕获火星地表探测中的声音，EDL麦克风是用于捕获降落过程中声音。

SuperCam麦克风重约30克，安装在“毅力”号桅杆顶端的吊杆上。当SuperCam开启时，SuperCam麦克会记录几毫秒的声音，或是在车辆工作过程中打开捕获火星表面的风声、“毅力”号车轮摩擦声、机械臂的声音。SuperCam的激光击中岩石时会产生爆破声，岩石材料特性的不同，声音会有细微的不同，SuperCam麦克捕获的声音对于分析岩石样本有重要作用。

EDL麦克风安装在车体外侧，降落时会自行打开，主要用于记录“毅力”号降落过程中产生的摩擦大气的声音、风声以及落地时尘土的声音。EDL麦克风记录到的音频也将直接添加到EDL相机拍摄的视频当中。

3.天线装置

“毅力”号的三根天线都位于车身甲板上，三根天线功能十分灵活且可以互相补充。

超高频天线（Ultra-High Frequency Antenna,UHF,400MHz）位于车身后部，通过NASA发射的火星轨道卫星中继后与地球通信。UHF先将无线电信号上传至火星轨道卫星，速度可达2MB/秒，然后中继卫星使用更大的天线将数据传回地球，火星和地球相对位置的变化使得UHF无线电信号传达到地球需要5-20分钟时间。

X波段高增益天线（The X-Band High-Gain Antenna,7000-8000MHz）位于桅杆后侧，横截面为六角形，直径0.3米，可以自行旋转调整天线指向。X波段高增益天线可以直接长链连接位于地球的Deep Space Network（DSN）天线，对DSN直径为34米的天线传输/接收速度为160/500B每秒，对DSN直径为70米的天线传输/接收速度为800/3000B每秒。

X波段低增益天线（The X-Band Low-Gain Antenna,7000-8000MHz）主要用来接收来自各个方向的信号。由于X波段低增益天线不能调整方向故接收信号的速度很慢，对DSN直径为34米的天线接收速度为10B每秒，对DSN直径为70米的天线接收速度为70B每秒。

4.工程相机

“毅力”号搭载了9个工程相机，分别是障碍规避相机（Hazard Avoidance Cameras,HazCams）6个、导航相机（Navigation Cameras,Navcams）2个、采样记录相机（CacheCam）1个，主要作用是：（1）测量扫描“毅力”号周边的地形，辅助其行驶；（2）检查“毅力”号自身硬件的工作情况；（3）辅助岩石样品采集。以上这些工程相机的机身是相同的，只是根据任务不同使用了不同的镜头，其中HazCams和Navcams具有2000万像素的广角镜头，拍照大小为5120×3840p。

HazCams位于车身的前端（4个）和后端（2个），可以用于探测“毅力”号前方和后方的障碍物，如大块石头、深沟、沙丘等。前置的HazCams还可以观察机械手臂的动作，协助研究人员移动机械手臂。“毅力”号在前进过程中会时不时停下来，HazCams此时可以拍摄3D图像评估潜在的障碍物，根据这些3D图像“毅力”号自行判断和设计前行路线。

Navcams位于桅杆顶端，主要功能是当“毅力”号自主导航时帮助研究人员观察其是否行进安全，研究人员可以通过Navcams看到25米外高尔夫球大小的物体。“毅力”号开始“盲驱”（“盲驱”指研究人员直接下令让车辆朝某个方向行进某段距离）前，Navcams可以首先判断道路是否安全。

CacheCam是一个单独的相机，专门用于拍摄采样样品。在采样之前、采样管密封之前，CacheCam都会拍一张样品的照片，这样研究人员可以观察到采获的样品并且记录下样品最初的情况。

5.科研仪器

（1）全景立体成像高级相机系统（The Mast-mounted camera system,Mastcam-Z）

Mastcam-Z是一套基于“好奇者”号Mastcam开发的多光谱、立体成像设备，能够在“毅力”号移动过程中对远距离的物体进行拉近、对焦以及拍摄彩色3D照片和视频，是“毅力”号的“主眼”。Mastcam-Z还配备了高通滤波器（400-1000nm）和太阳滤镜，能够区分未风化和风化的材料并且可以直接面对太阳成像。

重要作用

1.放大观测目标，可以清晰观察到100米外的物体

2.具有全景视角，可以水平方向360°旋转，上下180°旋转，方便观察火星表面地质

（2）火星环境动力学分析仪（The Mars Environmental Dynamics Analyzer,MEDA）

MEDA是一款监测火星环境的装置，可以监测火星表面的风速、风向、空气温度、地表温度、相对湿度和紫外线、可见光和红外线的辐射范围。MEDA独立于“毅力”号的控制，在整个任务周期中，MEDA每小时都会来，在传感器测量记录数据后，它会立即进入睡眠状态。

（3）制氧系统（The Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment,MOXIE）

MOXIE在“毅力”号的布局和原理图

MOXIE是一次利用火星大气中的二氧化碳制造氧气的尝试，下表格是MOXIE装置的具体情况：

MOXIE首先利用吸收加压装置（Acquisition and Compression,CAC）将经“毅力”号过滤的二氧化碳加压至1个大气压，然后经过固体氧化物电解槽（Solid OXide Electrolyzer,SOXE）电解后从阳极释放出氧气，副产物为一氧化碳。SOXE工作温度为800℃，这需要复杂的热隔离系统，且输入气体需要预热，废气需要冷却。另外可以通过SOXE的电流直接测量氧气的产生速率。根据气流的流速和火星大气组成可以计算出氧气的转化效率，SOXE能够通过控制二氧化碳流速、温度和电压对氧气转化过程进行优化。

（4）X射线行星岩石分析仪（The Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry,PIXL）

PIXL是一种微焦点X射线荧光仪器，可以通过X射线聚焦到目标上来快速测量亚毫米尺度的元素化学并分析X射线荧光。PIXL由车身中的传感器、校准器件和安装在机械臂上的传感器组成，机械臂上的传感器包括X射线源、X射线光学器件、X射线检测器、高压电源、微型计算机以及发光二极管等。PIXL可以检测Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Br、Rb、Sr、Y、Ga、Ge、As、Zr以及稀土元素（如Rb、Sr、Y和Zr）等。

（5）火星地下雷达影像仪（The Radar Imager for Mars'Subsurface Experiment,RIMFAX）

RIMFAX的原型是传统的探地雷达，探地雷达技术已经在地球广泛应用于工程、科学研究当中，十分成熟可靠。RIMFAX工作频率在150MHz至1200MHz之间，在自由空间垂直方向的理论分辨率最高可达14.2厘米。

RIMFAX由“毅力”号控制，可以单独在不同模式下发出雷达波，用于探测不同深度地底情况，在“毅力”号移动时可以每隔10厘米各产生一对浅-浅和深-浅的交织雷达波。

（6）有机物扫描设备（The Scanning Habitable Environments with Raman&Luminescence for Organics&Chemicals,SHERLOC）

SHERLOC是一种臂装式深紫外（DUV）共振拉曼和荧光光谱仪，它利用波长248.6nm的深紫外激光照射在小于100微米的区域内。激光会被集成到一个自动聚焦/扫描光学系统中，并被同轴地透视到一个空间分辨率为30微米的成像仪中。

SHERLOC可以对火星表面和地下的有机物和矿物进行非接触式、高灵敏度的检测和表征，可以评估火星过去的水文历史，检测可能存在的生物特征。

机械手臂可以在待观察表面上方48毫米的位置直接进行自动对焦，SHERLOC利用内部扫描镜能够观察7×7mm的区域。此外，在钻头取下岩心后SHERLOC可以对钻孔内部岩石直接进行分析。

（7）超级激光相机（SuperCam）

SuperCam安装了Laser Induced Breakdown Spectroscopy（LIBS），可以利用波长1064纳米的激光探测距7米以内的目标；安装了拉曼光谱仪（Raman spectroscopy），可以用波长532nm的激光探测12米远的目标；安装了分时荧光光谱仪（Time-Resolved Fluorescence spectroscopy）和可见和红外反射光谱仪，可以直接探测分子结构；使用了彩色远程显微成像仪（color remote micro-imager）获取样本的高分辨率图像。

六、小结

美国已经在多次火星探索中积累了深厚的经验,“火星2020”探测任务中的“毅力”号将完成多项从未开展的任务，这将是人类登陆火星重要的奠基石。同时，我国也计划于2020年开始进行一系列的火星探索，“毅力”号对我国火星探测工程具有深远的启发意义。