NASA 核动力火星车带上无人机探索生命：1090 万人订了票的“毅力号”有多强？

美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地（Cape Canaveral Air Force Station）41 号发射场，搭载着“毅力号”火星车（Perseverance Rover）的阿特拉斯 5 型运载火箭（Atlas V-541，又称宇宙神 5 号）发射升空。

终于，抱有美好“希望”的阿联酋、从不乏“天问”精神的中国以及拥有强大“毅力”的美国，都顺利向红色星球进发！

生命迹象的探索之旅

对于火星车的命名，NASA 有个惯例——向儿童和青少年征名。

当地时间 2020 年 3 月 5 日，NASA 正式公布，新一代火星车名为 Perseverence（意为“毅力”），这个名字来自弗吉尼亚州的一位初一学生 Alexander Mather。

在发射任务直播节目一开始，NASA 也给出了英文单词 Perseverance 的释义：

persistence in doing something despite difficulty or delay in achieving success.（即便困难重重或不得已推迟，也要坚持不懈，成功做成某件事。）

踏上火星漫游，本就是一项重重困难的任务；而由于运载火箭 Atlas V-541 在测试环节中问题频出，“毅力号”发射任务也不得已再三推迟。

好在，“毅力号”终于顺利出发，预计将在火星上工作至少一个火星年（约为地球上 687 天）。

不同于只是绕火星轨道巡航的“希望号”和一次性完成“绕-落-巡”三步的“天问一号”，“压轴出场”的“毅力号”按计划将于 2021 年 2 月 18 日以“空中吊车”方式登陆火星，到达位于火星北纬 18 度、西经 77 度区域的杰泽罗陨石坑（Jezero Crater），开始寻觅形成于 35 亿年前的火星古代微生物生命迹象。

同时，“毅力号”还将采集火星上的岩石和土壤样本，从而为之后的火星采样返回任务做准备。

实际上，此次任务在方方面面都将人类想要登上火星的美好愿望展现了出来。

此次，“毅力号”将携带宇航服 5 个部位的不同材料样本进入火星，以期在火星的强烈辐射下进行测试，直接解决“宇航员未来要在火星上穿什么宇航服”的问题。

在“毅力号”上，搭载着三枚特殊的芯片，上面蚀刻着全球范围内的 1090 万个在 NASA 官网预定了“火星船票”的火星爱好者的名字。

可移动的实验室

承载着 1090 万颗好奇心的“毅力号”，作为美国第 9 个火星探测器，拥有着超强硬件。

“毅力号”长 3 米、宽 2.7 米、高 2.2 米、总重 1025 公斤，配备有一个长约 2.1 米的五关节机械臂、43 个样本采集管及一个 0.5 米长的样本处理臂，用于样本采集、分析。

为完成一系列高难度任务，NASA 喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）将“毅力号”打造成了一座可移动的实验室，而最值得关注的主要有以下几方面。

首先是其总重 59 公斤的载荷。

具体来讲，其载荷即 7 台科学仪器：

• 变焦全景相机 Mastcam-Z：位于桅杆上，不仅能鉴定岩石成分、辅助火星车行进，还能得到高清晰度的全景 3D 立体图像；
• 火星环境动力学分析仪 MEDA：记录、分析火星的大气温度、湿度、气压、风速、风向、沙尘大小与形态；
• 制氧仪 MOXIE：这一仪器作为“毅力号”的亮点之一，不仅要尝试从二氧化碳中提取氧气，为未来宇航员登陆火星吸氧做准备，其制备的氧气还能作为航天器返回地球的燃料来源，从而实现 NASA 的“造氧计划”；
• X 射线仪 PIXL：利用 X 射线对火星沙粒进行更为精准的分析；
• 火星地下实验雷达成像仪 RIMFAX：以厘米级分辨率探测火星的地下结构；
• 紫外光谱仪 SHERLOC：利用紫外激光分析物质，实现扫描可居住环境的目的；
• 激光超距分析仪 SuperCam：远距离分析岩石、土壤成分。

实际上，“毅力”号的“视觉系统”堪称当今火星车之最——不止上述的相机，“毅力号”共配有 23 个相机，大部分都是彩色相机。

其次是“毅力号”上搭载的 2 个麦克风——既能收录火星车登陆火星的声音，火星上的风吹草动也可以捕捉得到，而这也是美国火星探测器首次配备有这样的设计。若顺利的话，人类将首次听到火星上的声音。

同时，“毅力号”沿袭了其上一代火星车“好奇号”（Curiosity）的核动力驱动设计。

“毅力号”的核动力源“多任务放射性同位素热电发生器 MMRTG”由美国能源部提供，质量为 45 公斤，将利用钚 238 原子核衰变释放的热量来产生 110 瓦的电能。此外，“毅力号”还包括两个锂离子可充电电池，作为瞬时大功率供电。

雷锋网此前曾报道，在我国的“天问一号”探测器中，火星车以太阳能电池为动力。

相比太阳能供电，核动力摆脱了对太阳照射的依赖，灵活性更强，即便在夜间、沙尘暴天气或冬季，火星车都可保证稳定运行。但另一方面，核动力驱动也存在缺点，一是成本较高，二是放射性元素的不断衰变会使得功率逐渐下降，其使用寿命约 14 年。

第四点在于“毅力号”的车轮设计。

事实上，在设计“毅力号”的过程中，“好奇号”工程团队亦有参与，大体上二者的设计较为相似。

不过，以“好奇号”为鉴，团队还着重对“毅力号”的车轮做了性能优化，新一代的铝制车轮更厚、更耐用，同时宽度变小、轮径（52.2 厘米）更大。在车轮表面，覆盖着用于牵引的楔子和用于弹性支撑的弯曲钛辐条。

另外，其计算机控制系统也值得关注。

雷锋网了解到，“毅力号”的计算机系统符合航空工业标准，包括 2 个相同的、互为备份的模块，即 RCE（Rover Compute Element），采用了 IBM PowerPC 750 架构的抗辐射中央处理器 BAE RAD750，其运行速度比美国此前的“勇气号”、“机遇号”火星所搭载的中央处理器快十倍。

正是因为“毅力号”车轮有所改进、仪器套件体积增大，加之火星车上新的取样和缓冲系统，相比总重 899 公斤的“好奇号”，其重量足足增加了 17%。

可见，从大脑到身体，从眼睛到耳朵，“毅力号”实现了全副武装。

将无人机飞上火星

跟随火箭升空的不止黑科技满满的“毅力号”，还有一架小型太阳能无人直升机“机智号”（Ingenuity）。

“机智号”重 1.8 公斤，只携带相机，将通过相机跟踪估计速度，从而实现视觉导航。此次，“机智号”配备的是高通骁龙处理器、高通飞行控制面板以及 Linux 操作系统。

按照 NASA 的“火星直升机实验”计划，“机智号”作为一款技术演示器，将在火星车着陆后的 60-90 个火星日后进行为期 30 天的飞行稳定性测试，预计最多飞行 5 次，每天飞行不超过 3 分钟，每次航程最远 300 米，最大高度 5 米。

值得一提的是，这架无人机虽说只是一款“试验品”，但其设计规格仍然符合一款航天器的标准，可以承受火箭发射过程中产生的重力和振动。同时，“机智号”配备的抗辐射系统也保证了其在寒冷的火星环境中正常运行。

据了解，为建造“机智号”，NASA 已投资了约 8000 万美元，另投资了约 500 万美元，用以对直升机的运营。

可以说，此次试飞有望为行星探测直升机的开发工作迈出第一步。据工程团队透露，下一代无人机的重量可能在 5-15 公斤，有效载荷为 0.5-1.5 公斤，将来无人机可能会与轨道飞行器实现直接通信。

阿特拉斯 5 型火箭加持

毫无疑问，上述计划对火箭的运载能力也提出了较高的要求。

为此，NASA 选定了阿特拉斯 5 型运载火箭（Atlas V-541）出马。

这枚火箭名称中的 541 实际上是指：

• 5 米的有效载荷整流罩；
• 4 个固体火箭助推器；
• 1 个单引擎半人马座上级。

实际上，阿特拉斯系列火箭作为美国老牌火箭，其运载历史已有 60 余年。

1957 年 12 月 17 日阿特拉斯号火箭的首次发射升空，为这一系列火箭的发展拉开了序幕。20 世纪 50 年代，阿特拉斯 2 型得以发展，到了 60 年代，阿特拉斯 3 型开始广泛运用。当地时间 2003 年 2 月 3 日，阿特拉斯 3 型正式退出历史舞台。

随后登场的阿特拉斯 5 型运载火箭由美国两家百年航空公司——洛克希德马丁公司、波音公司研制，隶属联合发射同盟。

在此次发射任务之前，阿特拉斯 5 型已经执行过 4 次火星探测器发射任务，包括 2005 年的火星勘测轨道器、2011 年的“好奇号”、2013 年的“马文号”轨道飞行器和 2018 年的“洞察号”。

我们的征途是星辰大海

20 世纪 60 年代以来，探测火星几乎贯穿着整个人类航天史，但直到今天，全球范围内火星探测任务成功率还不足五成。

不过，美国在火星探测史上，始终保持着先行者的地位。

首次接近火星并发回数据的，是美国探测器——1964 年 12 月 28 日，“水手 4 号”在距火星表面 9800 千米的上空掠过火星，向地球发回 21 张照片，终于打破了火星探测失败的魔咒。

首次进入火星轨道的，也是美国的探测器——1970 年代，“水手 9 号”进入环绕火星轨道。

在此之后，1975 年的海盗 1 号和海盗 2 号、1996 年的火星探路者、2003 年的精神号和机遇号、2008 年的凤凰号、2011 年的好奇号、2018 年的洞察号相继出征，让我们对红色星球的认知不断增加。

而此次“毅力号”，也将是 NASA 在半个多世纪“探火”基础上的又一重要突破，不论最终成功与否，都将为世界航天事业做出了巨大贡献。

值得一提的是，2020 年 7 月 27 日，我国首个火星探测器“天问一号”在离地球约 120 万公里处回望地球，拍下一张地球与月球在茫茫宇宙中相望的图片，目前“天问一号”也还在前往神秘火星的旅途之中。

至此，2020 年火星探测窗口期的三次发射任务都已顺利完成，祝愿三项任务最终都能圆满成功，正如中国国家航天局局长张克俭所说：

探索浩瀚宇宙是全人类的共同梦想。让我们以“天问”的勇气，坚韧的“毅力”，奔向新的“希望”。