探火风云 | 延年益寿的世界首对火星车
2003年6月10日和7月8日，美国先后发射了勇气号和机遇号火星车，它们不仅是美国第二代火星车，性能比第一代火星车“旅居者”有很大提高，而且是世界第一对“双胞胎”火星车。
这两辆一模一样的火星车用于搜索火星曾经存在水的证据，判断火星是否存在过适合生命体的环境；开凿岩石并检查样本，发回火星岩石、大气等信息。其最大的亮点是工作寿命大大超过了3个月的设计寿命。
机遇号火星车准备探测一块石头示意图
着陆地点
勇气号和机遇号与高尔夫球场的小车大小相似，长1.6米、宽2.3米、高1.5米，重174千克。它们的主要任务是：判断火星上是否有过生物，明确火星气候特征，掌握火星地质特征，为人类探索打下基石。
经过约半年的飞行，这对火星车分别于2004年的1月3日和24日在火星表面安全着陆，着陆方式与1997年在火星上着陆的“火星探路者”一样，采用气囊弹跳方式。
勇气号和机遇号火星车着陆时使用的气囊对在火星安全着陆有重要作用。它使用了一种新型合成材料，可以在低温的条件下保持性能
这项计划成功与否在很大程度上取决于探测器的着陆地点。美国在为勇气号和机遇号火星车选择着陆地点时，为了实现寻找火星上是否有水的科学目标，美国100多名专家，用了几个月的时间研究了“火星全球勘探者”和“火星奥德赛”探测器拍摄的照片，筛选着陆地点，总共研究分析了155个着陆地点，最终选定的两处着陆地点均位于巨大环形山内部，据推测这两个区域过去可能都有水。
勇气号着陆在古谢夫陨石坑，它位于火星北半球。之所以在这里着陆，是因为科学家认为，这里平坦的地形适合着陆。但更深层次解释是，这里有可能是一个干涸的湖床，在这里更易获得火星是否存在或存在过生命的依据。
调试勇气号火星车
机遇号着陆的区域位于与古谢夫环形山几乎相背的火星南半球，它称梅里迪安尼平原，存在氧化铁矿物，而这些矿物通常在有液态水的环境下生成。该平原是“火星地表最安全的地方”，即没有岩石、灰尘和大风的威胁。在这里着陆，可对丰富的灰赤铁矿或氧化铁（一种通常会在暖水环境中形成的矿石）进行探测，这种矿物质通常在海洋或火山等富含水的环境中形成。
机遇号拍摄的此处被证实曾经有水，可能存在过生命
这两辆火星车着陆地点彼此相距约1万千米，分布于火星的相反两侧。它们在各自负责地区寻找火星上曾经存在液态水和允许生命存在条件的地质学证据。
学童起名
勇气号和机遇号原名叫火星漫游者-A、B，共耗资8亿美元。为了这两辆火星车的正式名称，美国航空航天局曾在美国中学生中间进行过悬赏征集，直到2003年6月7日早上才宣布：火星漫游者-A名为勇气号，火星漫游者-B名为机遇号。这两个名字都是从美国学童提供的1万个名字中选出来的。由当时9岁的科利斯所建议的。科利斯出生于西伯利亚，两岁时才因收养来到美国。
上小学三年级的索菲·科利斯与勇气号火星车合影
要说明的是，整个探测器不光有火星车，还包括巡航级，进入、降落和着陆系统，着陆平台。巡航级在行星转移飞行期间，为系统提供推进、姿控、电源、通信、热控等功能，其中推进系统包括2组单元肼推力器，每组包括4个4.4牛推力器。在地球附近时，太阳电池翼峰值功率为600瓦；在火星附近时为300瓦。通信系统包括2副X频段高增益天线、1副中增益天线、1副低增益天线和1路小型深空转发器。
进入、降落和着陆系统由气动外壳热防护罩、后盖和降落伞组成。气动外壳为直径2.65米的70°钝锥体。着陆平台为四面体构型，内部装有漫游车和落地辅助装置。气囊系统包括4个气囊，每个气囊为6瓣叶形四面体，相互搭连到着陆平台的外表面上。
机遇号上的全景相机拍摄的废弃登陆平台
当然，探测火星的“主角”还是火星车。第二代火星车仍采用六轮摇臂悬架底盘结构。太阳电池阵呈后掠翼形，面积约1.3平方米。设备舱板上安装有分节桅杆，可提升全景相机、导航相机的高度。其核心结构采用了第一代火星车“旅居者”曾采用的复合蜂窝板，内部装有“电子暖箱”，可为内部的电子装置保温。
火星车装在气动外壳热防护罩内
“地质队员”
与人类似，勇气号和机遇号火星车有“身体、大脑、眼睛”等，像一个到火星上考察的地质队员一样。按照设计，它在１个火星日能负重跋涉40米。其“身体”是1个保护内部计算机、电子学部件和电池的外壳，并具有温度控制作用。
美国第二代火星车结构
它的“大脑”实际上是处理信息的计算机，还用于监测火星车的“健康”状况，拍摄照片、行进、操作仪器和通信也都是在这个“大脑”支配下进行的。火星车携带了一个“惯性测量单元”，能提供其位置的三维信息，能让漫游者进行精确的垂直、水平和左右移动。这个装置用于漫游者导航，可使其安全移动，能估计它所处的火星表面的坡度。为了在所有阶段都能正常工作，勇气号和机遇号温度保持在±40°C之间。在晚上，火星表面温度降到－96°C，这时火星车体内的加热器工作，使其保持在正常温度范围。
勇气号和机遇号各有9台相机，它们相当于“眼睛”。其中的6台工程相机为火星车导航服务，以防止它撞击障碍物；另外3台相机进行科学研究。
勇气号拍摄的火星彩色照片
用于科学研究的2台全色相机安装在火星车高1.4米的支架上，因而有很宽的视场。在水平方向，全色相机可以在360º范围内转动；在仰角方向，全色相机可以围绕水平方向在±90º范围内转动。它们可获取火星表面三维全色图像，将用于对火星表面和天空成像。全色相机基本上模仿人眼的分辨率（0.3毫弧），给出的图像就如1个地质学家站在火星表面上所看到的一样。由于它具有多光谱成像的能力，所以可帮助科学家更多地了解火星岩石和土壤中发现的矿物。
全副武装
除载有全色相机和显微成像仪外，勇气号和机遇号还装备了以下探测设备：
①微型热辐射光谱仪是通过探测来自远处的热辐射来记录各种岩石和土壤的光谱，从而确定矿物的类型和丰度，寻找与水作用而形成的矿物，也观测火星大气层并收集温度、水蒸气和尘埃丰度的数据。
②穆斯堡尔光谱仪是用于研究含铁矿物的仪器，能以较高的精度确定矿物的成分和丰度，因此还可以帮助了解表面物质的磁性质。
③a粒子和X射线光谱仪是通过探测由岩石和土壤发射的a粒子和X射线，进而确定它们的元素化学性质。
④岩石研磨工具可在火星表面岩石中打直径45毫米、深5毫米的洞，然后用其他仪器详细检验清除的面积，利用岩石内部和外部差别揭示岩石的形成过程和环境对它的影响。
微型热辐射光谱仪拍摄的火星表面
仪器展开装置是该火星车的“胳膊”。它通过三个铰接头（肩、肘和腕）可灵活地使仪器伸展、弯曲和与岩石精确地成一定角度。臂的末端是一个转动架，结构像手，能握住各种工具（仪器），并可以旋转350º。“胳膊”上的显微成像仪是1台单色相机，它用于近距离获取岩石和土壤的图像，提供火星岩石和土壤小尺度的信息。通过近处观测火星表面物质，可以补充其他科学仪器的发现。分析沉积岩石颗粒的大小和形状对于辨别在火星过去是否存在水是很重要的。
这张图片显示了勇气号的“手”，或者说是仪器展开装置的尖端
它们的“腿”是6个轮子，能爬45°以下的坡，并可以跨过大于轮直径（25厘米）的障碍（如岩石）或洞。每个轮也有履带，可在软的沙地行驶，也能爬越岩石。在平坦硬地上，“火星漫游者”的速度是5厘米/秒。
技高一筹
每辆火星车上有3套通信天线：超高频天线可以通过绕火星飞行的“火星全球勘探者”和“火星奥德赛”轨道器与地球联系，而低增益天线与高增益天线则可直接与地球联系，其中低增益天线用于数据量较低的通信传输，而高增益天线用于数据量较高的通信传输。
机遇号火星车漫游示意图
与世界第1辆火星车“旅居者”相比，勇气号和机遇号火星车的性能有了较大的提高，实现了对火星较大范围的移动考察，标志着火星探测进入了新的重要阶段。
例如，勇气号和机遇号在个头和能力上都比“旅居者”高出一筹。它们均长1.6米、宽2.3米、高1.5米，重174千克，而“旅居者”只有65厘米长，重仅10千克；勇气号和机遇号存储器的容量是“旅居者”的1000多倍；勇气号和机遇号装有9台相机，而“旅居者”只携带了3台，分辨率和距地面高度也较低；勇气号和机遇号配置了3台光谱仪，而“旅居者”上仅有1台光谱仪；“旅居者”在火星上考察共移动了约一个足球场长度的距离，勇气号和机遇号漫游距离可达到前者的6～10倍，约600～1000米。另外，在设计寿命、行进速度等方面，勇气号和机遇号也比“旅居者”有明显的提高。
勇气号与“旅居者”同窗
勇气号和机遇号上的全色相机所拍的彩色照片总像素达到1200万，清晰度是此前人类拍摄的最好火星照片的3～4倍。它们在技术和科学方面都取得了巨大成就，其中最大的技术进步在于获取科学信息的能力。除增加了相机的数量、穆斯堡尔光谱仪和微型热红外光谱仪外，还携带了岩石钻探工具和显微成像仪，在整体性能上也有很大提高，其中包括在火星车的大小和机动性等许多方面的改进。它们在工作寿命、行驶速度、探测性能等许多方面，都大大超出了设计范围，获得了大量新信息，其中最喜人成果的证实火星表面上曾经存在水。
勇气可嘉
在美国《科学》杂志评选出的2004年度10项科学突破中，勇气号和机遇号火星漫游车证实火星表面上曾经存在水，被评为2004年世界科技领域的最大突破。美国科学家2004年12月13日称，勇气号在火星的哥伦比亚山地区发现了针铁矿，这种物质的发现可以证明火星上有水，它所发现的黄钾铁矾一样，是当时火星上有水的最有力证据。
2004年12月13日勇气号回头拍摄自己的行踪
勇气号火星车在轮子受损的情况下，于2007年5月22日找到了迄今有关火星有水的最强有力证据,这意味着火星上可能曾有生命。当时勇气号6个轮子中的一个已经不能旋转，因此，它经过的火星表面都会形成一道道深深的“沟壑”。有意思的是，正是这些不经意的动作带来了火星探测史上最重要的发现！因为“沟壑”中被“刮蹭”过的火星土显现出明亮的颜色，而勇气号对这些特殊的火星土进行化学分析后发现，其中硅石的含量竟然高达90%，而这有可能成为证明火星远古时期远比现在湿润的有力证据，因为硅石的沉积是需要大量的水作为条件的，所以火星过去可能比现在更湿润。参与火星车项目的科学家们认为，这项最新发现再次证明，在火星上曾经也存在过适合生命存在的条件。新的发现再次巩固了有关在火星上曾经有大量水存在的论断，同时也有可能证明“火星也曾是一颗适合生命生存的行星”。
另外，勇气号在一处高地发现了纯度高达90%的二氧化硅。在地球上，这种物质通常存在于温泉中，有些地球微生物就能存活在这样的环境中。科学家推断，如果火星古代曾有微生物，类似的温泉环境中它们应当也能生存。
勇气号发现的火星上富含硅石的土壤
勇气号还发现了某种形式的水改变了某些土壤和岩石的矿物成分的证据，这些土壤与岩石位于比探测器着陆的平原更加古老的山丘；记录下了尘暴的形成与转移，这一事件已经做成了录像片段。这些资料为研究火星大气与地表之间相互作用提供了机会。
抓住机遇
在北半球的勇气号，发现了一些岩石中的碳酸盐类物质，表明火星过去不仅有水还很温暖，适宜生命的生存。在南半球的机遇号，在着陆的陨坑内发现了一种矿物，看起来如同蓝莓一般。这种矿物通常只能在水环境中形成，但机遇号的探测显示这里过去的水呈酸性，对生命不是很友好。
“蓝莓”指机遇号发现的形似鹅卵石的物质
机遇号最大的发现就是矿物及岩石结构证据，指出了在很久以前至少在火星的一个地区表面上曾经存在过大量的水并发生溢流现象。
最值得一提的是，机遇号连续十几年的工作，也让科学家有机会能够对火星的气候、云层、沙尘暴等进行长期的研究，尤其是火星沙尘对太阳能电池效率的影响。这些丰富的数据，对未来的火星任务非常有用。
机遇号在火星奋进撞击坑中行驶
这2辆火星车之所以获得许多预想不到的科学成果，与它们在工程上的超水平发挥是分不开的，其中最突出的是日行驶纪录不断被打破，并天天创造工作寿命的新记录。
勇气号和机遇号的设计寿命都是3个月，最终分别在火星顽强的坚持工作了7年和15年，它们至今也被视作是火星探测器的传奇。
勇气号一直工作到2011年3月22日之后，才因太阳电池板无法吸收到足量的阳光供发电之用，最终没能挨过残酷的冬天，与地球失去联系。在任务停止之前，它一共行驶了约7.7千米，是其预定目标的12倍还多。勇气号传回了124000张珍贵照片，还考察了数十个目标样本，攀上了一个30度左右的土坡。
2004年到2018年，机遇号在火星表面的行驶路径，蓝色框是美国首都华盛顿的大小作为参照
机遇号则在2014年8月，打破了苏联月球车2号1973年在月球表面创造在地外星球行驶约39千米距离的纪录，行驶了约40千米。后由于火星沙尘暴，无法跟探测器取得联系，2019年2月13日，美国正式宣布结束机遇号火星车的使命，至此，机遇号在火星上总共工作了15年。在这15年间，机遇号共传回超过21.7万张图片，它在火星上的总行驶里程超过45公里，成为迄今在地外的天体上行驶最远的探测器。
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作 者 | 庞之浩
编 辑 | 石磊