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祝融探火在即，重温“双胞胎探测器”的机遇和勇气 | 火星探测简史
在20世纪90年代，美国宇航局提出了一个非常长远的火星探测一揽子计划，该计划从90年代一直延续到21世纪，当时被称为“火星探测三部曲”。
上周为大家讲的奥德赛探测器就属于“火星探测三部曲”之一，接下来继续为大家讲述该计划的后续发展——勇气号和机遇号。
2003年美国发射了两个火星着陆器——勇气号（Spirit）和机遇号（Opportunity），它们是美国宇航局火星探险漫游者任务（Mars Exploration Rover Mission）的两个项目，而这一任务又是大的火星探测计划的组成部分。
勇气号
勇气号质量为1062千克，包括着陆器和勇气号漫游车。
主要科学目标有：搜寻火星岩石和土壤中水活动的踪迹、探测着陆区周边的矿物分布及成因、寻找液态水存在时期的地质学因素等。
勇气号
勇气号漫游车为六轮设计，各轮独立驱动，动力来源为太阳能。外形尺寸为2.3×1.6×1.5米，重180千克，为火星探路者号索杰纳漫游车的7倍重。勇气号漫游车
漫游车行驶的最高速度为每秒50毫米，平均速度为每秒10毫米。上面携带的科学仪器有全景相机、导航摄像机（Navcam）、微型热发射光谱仪、穆斯堡尔光谱仪（MB）、α粒子X射线光谱仪（APXS）、显微成像仪、磁铁（收集灰尘颗粒）、岩石研磨器等。勇气号漫游车
01发射2003年6月10日，勇气号由德尔塔7925运载火箭发射。
火星漫游车计划A探测器发射
勇气号完成巡航段飞行后，进入火星大气的进入-下降-着陆与火星探路者号一样，即进入火星大气后，先利用防热外壳减速，然后是超音速降落伞减速，接着是反推火箭启动减速，最后利用包裹探测器的四个大型气囊缓冲着陆过程。勇气号由防热壳保护进入火星大气
火星漫游车的热防护壳
整个探测器在2004年1月4日4时26分以每秒14米的速度撞向火星，然后四个气囊弹跳了28次最后终于平稳下来。勇气号降落伞进行风洞试验
着陆点的坐标是南纬14.57°，东经175.47°，距计划目标约13.4千米，位于古斯耶夫陨石坑（Gusev crater）内，该地区从此被称为哥伦比亚纪念站。勇气号着陆器
在整个进入-下降-着陆过程中，着陆器通过火星全球勘察者号传输数据。在降落火星大约一个半小时，安全气囊放气后，勇气号漫游者展开花瓣状太阳能电池板，并通过火星奥德赛号向地球传送信息。着陆后的勇气号漫游车
02任务2004年1月21日，当宇航局的深空网络试图与勇气号进行联系时，没有成功。
由于勇气号的闪存子系统出现问题，使其自动进入“故障模式”。幸运的是，地面控制人员重新对闪存进行格式化并发送软件补丁（以防止内存过载），使其在2月5日恢复了正常运行。勇气号着陆器全景照片
第二天，勇气号使用岩石研磨器将一块岩石表面磨平，这是首次在火星上完成的壮举。通过对暴露在外的岩石内部进行分析，科学家们对火星岩石的组成有了新的认识。勇气号拍摄的火星奇特岩石
原计划的勇气号的任务持续90个火星日（到2004年4月4日左右）。然而，喷气推进实验室根据其状态和表现，多次对勇气号进行任务拓展，以进行更多的探测工作。勇气号漫游车
随后重要的探测活动包括：考察了博纳维尔陨石坑，距离最初的着陆点大约370米，然后到了哥伦比亚山的底部，在那里花了很长时间进行考察和探索。勇气号行驶轨迹
2005年，勇气号漫游车开始缓慢地爬山，越过岩石和沙土的地形，准备到达丈夫山（Husband Hill）的顶点。它在许多地方驻足调查，经常使用岩石研磨器分析岩石内部结构和物质。勇气号爬上丈夫山的路线
2005年3月，一场火星尘暴把勇气号太阳能电池板顶部灰尘吹走，使其电量从通常的60%增加到93%，从而大大延长了任务的寿命。2005年9月29日，漫游车终于到达了丈夫山的山顶，这是一片平坦的小平原，勇气号从这里可以拍摄到古斯耶夫陨石坑的360°全景图。从丈夫山顶拍摄的全景图
2006年初，勇气号漫游车计划行驶到麦库尔山的北面。在那里，勇气号将接收到足够的阳光产生电能，在即将到来的火星冬季维持其运行。但这个任务被取消了，部分原因是漫游车一个前轮停止了工作。不过，当漫游车移动时，不能活动的轮子刮掉了火星土壤的上层，暴露出明亮的富含二氧化硅的灰尘，表明这里的土壤曾经被水浸泡过。勇气号漫游车
2007年初，控制中心向勇气号和它的兄弟机遇号上传递了新软件。新的程序允许漫游者自主决定一些不同的行动，比如是否将特定的图像传回地球或者是否延伸遥控臂。然而，在2007年地球夏季的大部分时间里，勇气号和机遇号都面临着大规模的尘暴，导致太阳能电池板电力产生下降，漫游者的探测能力受到影响。勇气号工作的情景
2008年底，另一场冬季尘暴进一步将勇气号太阳能电池板的发电量减少到每个火星日89瓦时左右（正常发电量约为700瓦时）。在如此低的电力水平上，勇气号漫游车需要使用自己的电池，如果电池耗尽，任务就将结束。2009年，随着风吹落太阳能电池板上的灰尘，发电量开始逐渐增加。到2009年4月，漫游车恢复到每天约372瓦时发电量，足以恢复正常的科学探测活动。2009年5月1日，当勇气号在一个叫做本垒板（Home Plate）的西边向南行驶时，松软的土壤使车轮无法产生足够牵引力向前行驶。11月28日，勇气号的另一个车轮（右后轮）停止工作。
到2010年1月下旬，在多次尝试移动勇气号都没有成功后，地面控制中心将勇气号任务重新定义为一个“固定的科学平台”。它新的任务之一是研究火星自转过程中的微小抖动，以确定行星核心的性质是液体还是固体。为了做到这一点，漫游车必须稍微向北倾斜，使其太阳能电池板正好对着阳光以产生足够的电能。结果，倾斜动作没有完成，2010年3月22日之后，喷气推进实验室已无法再次与勇气号取得联系。尽管向勇气号发出了1300多个指令，建立联系均遭失败。宇航局于2011年5月25日中止了恢复联络工作，勇气号火星漫游车任务正式宣告结束。勇气号漫游车影子
04成就勇气号漫游车的表现和做出的发现，受到宇航局上下的高度称赞。
勇气号发现了火星的沉积岩，这往往与水流的冲刷有关；发现了赤铁矿物，这也与水有紧密的联系；它在古萨耶夫火山口拍摄的大量照片，使科学家相信远古时代这里可能是一片湖泊。它发现了碳酸盐物质，这也与水联系密切；它拍摄的照片显示火星早期地质活动和流星撞击频繁；它在2006年底发现了水蚀变矿物；它在行驶过程中搅动的土壤中发现含有硫和水的痕迹，预示这里可能发生过泉水蒸发或火山活动。这些结果使科学家在火星上确认历史上存在水提供了最新的和直接的证据。勇气号拍摄的日落
总之，勇气号漫游车是一个十分成功的项目。机遇号
机遇号与勇气号完全相同，只是考察地点有所不同。
机遇号漫游车
01发射2003年7月8日，它由德尔塔7925H运载火箭发射升空。
经过为期六个月的旅行，机遇号于2004年1月16日最后一次航向修正后，2004年1月25日进入火星大气层并着陆。机遇号漫游车在火星
密封在安全气囊内的机遇号国际标准时间04时54分着陆，然后弹跳至少26次，在距预定目标约14.9千米的南纬1.95°、东经354.47°子午线平原降落。这个地区后被命名为挑战者纪念站，以纪念1986年失去的航天飞机机组人员。机遇号着陆器
02任务机遇号降落在一个相对平坦的平原上，但在一个被称为“鹰”的撞击坑内。这个位置与勇气号降落位置基本上处于火星相对的两侧。
2004年3月22日，在“鹰”撞击坑内部进行了广泛的考察之后，机遇号爬上了撞击坑的边缘，开始了它在大约750米外的“耐力”撞击坑的新一阶段探测任务。从“鹰”撞击坑出来后，机遇号漫游车对仍能看到着陆器、后壳和降落伞的废弃区域进行了拍摄。机遇号在鹰撞击坑拍摄的360全景合成图
在废弃的隔热板附近，机遇号于2005年1月发现了一块不寻常的篮球大小的岩石（被称为“隔热板岩石”），原来是一块铁镍陨石。当年晚些时候，机遇号漫游车驶入一个区域，它的几个车轮被埋在沙子里，导致车辆无法移动。地面控制人员一次仅能操纵车辆行进几厘米，此后6周时间机遇号处于休眠状态，直到2005年6月以后。2006年，机遇号缓慢向南朝直径800米的维多利亚火山口驶去，首次抵达直径约300米的埃雷布撞击坑。2006年3月，它开始了朝向2千米外的维多利亚撞击坑之旅，这是一个比勇气号和机遇号以前考察过的任何撞击坑都更宽更深的撞击坑。机遇号于2006年9月抵达维多利亚坑，并发回了其边缘的清晰照片。维多利亚撞击坑全景图
2007年，机遇号遭受到火星严重的沙尘暴。到7月18日，太阳能电池板的功率仅为128瓦时，这是漫游车的最低允许功率。所有的科学活动都只能暂停。火星勘测轨道器拍摄的沙尘暴后的机遇号
经过大约六周的沙尘天气，尘暴开始减弱，机遇号又开始正常工作。2007年9月11日，它进入维多利亚火山口，在里面呆了将近一年，向地球上发送了大量信息。机遇号拍摄的维多利亚撞击坑边缘
机遇号的下一个目标是直径22千米的“奋进”号陨石坑。在前往途中，机遇号发现了所谓的马奎特岛岩石，它在组成成分和特征上与火星上任何已知岩石或火星上的陨石不同。岩石似乎起源于火星地壳深处，而且离着陆地点很远的地方，与机遇号研究过的所有岩石均不相同。马奎特岛岩石
2010年3月24日，机遇号在火星上行驶距离达到20千米，比勇气号提高了一倍有余，远远超出了原计划的600米。两个月后，5月20日，机遇号打破了海盗1号着陆器创造的在火星表面连续运行最长时间——6年116天的纪录。机遇号在朝“奋进”号火山口前进时，于2011年6月1日创造了行驶30千米的新纪录。最后，经过近3年、21千米左右的行程，机遇于2011年8月9日抵达奋进号火山口。2012年底到2013年，机遇号围绕着一个地理特征——马提杰维克山展开工作，这个地点能俯看“奋进”坑，分析其岩石和土壤。机遇号拍摄的奋进撞击坑
2013年5月16日，NASA宣布，通过“奋进号”坑后，机遇号超过了人造物体在另一个星球上行驶的最远距离纪录——35.744千米，这个纪录是1972年12月阿波罗17号最后一次登月的月球车创造的。2013年8月，机遇漫游车来到索兰德点（Solander Point）考察，这里是很久以前形成了酸性潮湿条件的岩层与一个较老的更中性环境的岩层之间的接触区域，位于“奋进”陨石坑西缘附近的凸起部分。机遇号拍摄的似乎曾有水流过的岩石
2014年1月底，机遇号在火星表面度过了10年，太阳能电池板的表面相对清洁，使得漫游车的功率增加。2014年3月一次“自拍”显示，机遇号表面被风吹得很干净，这就能保持足够的电能输出使其继续工作。机遇号自拍照片
2014年7月28日，在继续火星探测任务时，宇航局宣布，机遇号已经突破了苏联月球2号漫游车创造的在另一个天体上行驶的距离纪录39千米，而机遇号此时已经行驶了40.25千米。此时机遇号仍然工作正常。2014年9月4日宇航局宣布，将机遇号工作寿命再延长2年，这也是它第九次任务拓展了。新任务是前往附近的马拉松谷。9月初，它已行驶40.69千米。2015年3月25日，机遇号已经行驶了42.195千米，从而成为“第一个在另一个星球上完成马拉松距离行驶的人造物”。机遇号导航相机拍摄的行驶轨迹
2015年6月，由于火星正好处在太阳之后（与地球相对），因此通信受到限制。2015-2016年地球冬季机遇号也迎来火星第七个冬季，由于太阳辐射较弱，它被保持在“能量最低”水平，在此期间机遇号的岩石研磨器清除一个火星岩石标本上的灰尘。机遇号还继续考察了22千米宽的奋进号陨石坑的西缘，特别是马拉松河谷南侧，从西到东贯穿奋进撞击坑的边缘。2016年3月10日，在接近克努森撞击坑顶部附近的目标时，它以32°的倾斜坡度行驶，打破了火星上任何探测器行驶的最陡坡度记录。火星上的马拉松谷
2016年10月，机遇号又开始了为期两年的任务拓展，将考查奋进号陨石坑西缘的“苦根山谷”。计划是让漫游者进入一个沟壑，长度约为两个足球场。科学家认为，“这可能是一条被流体雕刻的沟壑，而且水也参与了进来。”机遇号拍摄的似乎曾是湖泊的洼地
2017年2月7日，机遇号行驶距离突破了44千米，并朝着下一个重大科学目标——毅力谷——缓慢前进。机遇号在毅力谷行驶轨迹
在拍摄了毅力谷中几幅高分辨率全景照片后，6月4日由于左前轮故障，导致漫游车倾斜33°。幸运的是，经过几次矫正尝试，车轮似乎都恢复了正常。毅力谷
在6月和7月的大约三周时间里，由于太阳正好处在地球与火星之间，机遇号与地球的通信量减少。7月中旬，机遇终于进入毅力撞击坑，开始驶入沟壑。截至2017年10月31日，机遇号行驶距离达45.04千米。机遇号拍摄的毅力谷纹理图
03成就机遇号和勇气号结构完全一样，设计寿命也是90个火星日，但它比勇气号更加顽强，一直工作了5352个火星日，比原计划提高了近60倍。
2016年2月12日科技界女士在机遇号任务期间进行互动
由于2018年6月10日一个火星尘暴袭来，极大地影响到与机遇号的通信。2019年2月12日，处于休眠状态的机遇号未能再度被唤醒。宇航局喷气推进实验室于2月13日宣布，机遇号的使命正式结束。机遇号显微成像仪拍摄的火星照片
在漫长的15年里，机遇号在火星上行驶了45.16千米，共传回超过20万张照片。它还发现了火星上的赤铁矿、火星上的陨石、水作用的痕迹。为纪念机遇号对火星探索做出的重大贡献，第39382号小行星以“机遇号”的名字来命名。机遇号拍摄的岩石群
总结
勇气号和机遇号火星漫游车比1997年的火星探路者漫游车机动性大得多，能行驶数英里穿越火星表面，进行野外地质和大气观测。两辆漫游车都携带着相同、精密的科学仪器，发现了古代火星环境的证据，这些环境具有间歇性潮湿和宜居的特征。它们火星任务的第一个科学目标是寻找和描述广泛的岩石和土壤，寻找火星上过去水活动的线索。两个漫游车的降落点正好在火星两面，这样研究工作几乎可以代表火星表面的全部。勇气降落地过去可能是湖泊，它位于一个大型的撞击坑内。而机遇号降落在梅里迪亚尼普莱努姆，岩石分析表明这里曾经非常潮湿。两辆漫游车向地球发送了数十万张壮观、高分辨率、全彩的火星地形图像，以及岩石和土壤表面的详细微观图像。四个不同的光谱仪积累了关于火星岩石和土壤的化学和矿物组成海量信息。第一次被送上火星的岩石研磨器工作情况良好，使科学家能够透视尘土飞扬和风化的岩石表面，检查其内部结构和组成。利用两个漫游车的数据，科学家重建了火星被水淹没的古老历史。勇气和机遇号各自找到了过去潮湿条件的证据，这些证据可能支持微生物曾经存在过的假说。机遇号对“鹰”和“毅力”号撞击坑的研究揭示了过去蒸发形成富含硫酸盐的沙子、沙丘间湖泊的证据。沙子被水和风改造，凝固成岩石，被地下水浸泡。两个火星漫游车发现了各种岩石，表明早期火星的特点是撞击、剧烈的火山喷发和地下水的共同作用。一些明亮的土壤斑块原来是非常咸的，并受到古代水的影响。总的来说，它们都发现了古代存在液态水的证据。>>往期回顾<<火星探测简史 | 先发未能制人，苏联探火为何成果寥寥火星探测简史 | 从拍摄第一张照片到寻找外星生命火星探测简史 | 追求“更快、更好、更便宜”，90年代美国只达到30%的成功率
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作者简介：李成智，北京航空航天大学人文社会科学高等研究院教授、博士生导师。
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