机遇号15年火星探测任务华丽谢幕
发布时间:2019-02-15
出品:科普中国
制作:太空精酿
监制:中国科学院计算机网络信息中心

     2019213日,NASA在与已经失联许久的机遇号火星车联系800余次未果后,最终宣布任务结束。这一原计划任务周期90天、最后竟工作15年的伟大任务,华丽谢幕。本文用10个篇章,为你重新回顾勇气号和机遇号的伟大历程。 

    

  第一幕:任务艰巨,临危受命 

     火星是整个太阳系中除地球外最适合开发的星球,人类也早在上世纪60年代便开始探测,但早期探测的失败率很高,苏联甚至直到解体都未取得真正意义上的一次成功。在经历上世纪60-70年代冷战时期的疯狂后,人类火星探测戛然而止,直到上世纪90年代才重新开始。但是很不幸,美国开局的火星观察者号(1992年)失败,俄罗斯开局的火星96号(1996年)也在升空后失败。 


70年代维京一号任务拍到的火星全图,这张艺术加工后的图也随后成为火星流传最广的“证件照”,但此后火星探测偃旗息鼓(图源:NASA 

    

     直到1996年,美国的全球勘探者号才迎来成功,与它一起前往的还有探路者号着陆器/旅居者号火星车,小小的旅居者号也在1997年成为人类第一辆成功着陆的火星车。相比较只能定点着陆的着陆器,火星车有个巨大的优势:能够移动,这一条就足以说明它们的价值。但它实在太小,仅为10多千克而已,携带的仪器自然不可能拥有复杂功能,仅仅工作了几十天就宣告任务结束。人类迫切需要一个全面、复杂、多功能的火星车登陆火星。 

 

旅居者号、勇气/机遇号与好奇号尺寸对比图(图修改自:NASA 

    

     在这种需求下,NASA的火星探测计划就正式立项了火星探测漫游者(Mars Exploration RoverMER)项目,它包括两个重量为185千克的火星车,MER-AMER-B,二者完全相同且互为备份。但没想到,1999年美国两个抵达火星的任务再次面对浩劫:大气勘探者号轨道器直接焚毁在火星大气中,极地登陆者号则在距离地表仅40米处坠毁。在这种情况下,这两辆火星车完成任务的压力可想而知,失败的代价使人类火星探测再次陷入低谷。 

    

  第二幕:鼓足勇气,抓住机遇 

     幸运的是,2001年发射的火星奥德赛号轨道器取得巨大成功,它可以为地面功率较低的火星车提供信号转发,这意味着两辆火星车任务可以在2003年顺利踏上旅程。 

     两个火星车任务是千载难逢的航天大事,NASA和世界主要科研机构都意识到了公众参与科研项目、尤其是普及科学知识的重要性,因此这两颗火星车命名采取了小学生征文比赛的方式。最终,年仅9岁、小学三年级的索菲·克里斯获得此次征文大赛的桂冠,她最经典的一句话也成为两个火星车命名的来源:我之前住在孤儿院,黑暗、阴冷、孤独。每当夜幕降临,我总是仰望天空繁星以排解忧伤,梦想着自己有一天能飞至太空。在美国,我的梦想终于可以成真,谢谢你给我的“勇气”“机遇”。” 

     因此,这两辆火星车双胞胎兄弟被最终命名为勇气号(MER-A)和机遇号(MER-B)。而事实上它们还有两个“堂兄弟”留在地球上用来测试,其中一个和它们的科学仪器、结构、重量几乎一模一样,用来测试各个仪器工作情况;另一个则轻一些、几乎不携带仪器,仅用来模拟火星重力下重量对机体结构的影响。 


勇气号(左)和机遇号(右)成功发射(图源:NASA 

      

     两个探测器分别在2003610日和77日乘坐巨大的三角洲2火箭顺利升空,它们采用了一条长达200余天的漫长霍曼转移轨道前往火星,并在次年1月份先后抵达。 

    

  第三幕:死亡七分钟和气囊弹跳 

     火星降落从不是一件容易的事情。火星引力低于地球,存在稀薄大气,但可以像着陆地球一样,使用空气阻力摩擦和进一步降落伞结合的方式减速。由于速度较快,摩擦能产生巨大的热量会不断在探测器表面积累,达到惊人的2100摄氏度(好奇号火星车降落过程)。但是,火星大气也过于稀薄,仅有地球1%不到,它的减速作用有限,所以不可能像地球一样使用降落伞即可完成最终减速。 

  此外,火星距离地球最近也在5000万千米级别,这已经意味着将近6分钟的往返通讯延迟,实际还要考虑二者自转造成的遮挡,实际时间远大于此。整个登陆过程不可能由地球上人工控制和监测完成,从探测器开始进入火星大气边缘,到最终火星着陆,只有7分钟左右时间,必须靠自己。虽然着陆时间短暂,全程却有上千个操作要独立进行,任何一个环节出问题都会导致功亏一篑。例如20161019日,欧空局斯基亚帕雷利号着陆器在执行任务时最后一刻失败,直接撞向火星表面粉身碎骨。否则它的着陆地点亦是机遇号火星车所在的子午线高原,如果成功它们将成为并肩战斗的伙伴。只是结果无比遗憾! 

  在进行大气减速、降落伞减速后,探测器降落装置必须利用反推火箭工作。但自带反推火箭会导致探测器底部被巨大的燃料箱、发动机、传感器等占据,一旦降落后就会成为死重,非常不适合应该自由移动的火星车执行任务。 

反冲火箭/气囊弹跳着陆方案,可以明显看出来反推火箭下方吊放着气囊,气囊中包裹着探测器(图源:NASA 

    

  最后勇气号和机遇号的选择方案是气囊弹跳方式降落伞脱离后,依然采取火箭反推方案进行减速和悬停确定着陆地点。不过此时着陆器又分成两个部分,一部分携带有反冲火箭和燃料罐,另一部分则将火星车折叠后牢牢包裹在巨大的气囊中。着陆器确定好着陆区域后,会将气囊弹出并用绳索牢牢吊住,稳步下降命令下达后绳索断裂。气囊在距离火星地表数米处释放,随后在地面经过多次弹跳后稳定下来。巨大气囊内部往往有平衡设备,能保证气囊停止后折叠的火星车跟地面保持正确的姿态,随后气囊打开,火星车缓缓展开并驶出,这个技术在探路者号任务时已经成功验证。 

探路者号使用气囊的地面测试,可以看到相比折叠后仅仅几十公分高的着陆器,高达数米的巨大气囊体积惊人,勇气号/机遇号的气囊与之类似(图源:NASA 

    

  第四幕:龟速移动的火星“车” 

     为了成为一个可以移动的车,勇气号和机遇号必须装载额外的动力、成像和导航系统,这在定点着陆的任务中是基本不存在的。两个探测器动力都来自两块背上的太阳能电池板,它们采用了当时地球上最为先进的多结太阳能光伏电池、可以吸收并利用太阳多个光谱中的能量,但由于火星表面太阳能远不如地球丰富且大气中布满沙尘,在最好的状态下太阳能仅能提供每天900瓦特小时的能量,不到一度电,平均下来工作效率普遍在半度电水平。 

    

勇气/机遇号火星车(图源:NASA 

    

     而当火星爆发全球性沙尘暴时,漫天的黄沙会急剧减弱太阳光照且附着在太阳能电池板表面,使得一天的产能仅仅为100瓦特小时的能量,火星车必须进入休眠状态。即便是天气最好、高峰时的900瓦特小时,这些能量仅能让地球上的普通热水器工作半个小时,只能维持一个40瓦的老式灯泡亮一天。为了充分利用能量、尤其是避免夜晚时没有能量来源,在火星车上还背了两个7千克重的锂电池以储能。 

     考虑到这两个火星车是个高1.5米、宽2.3米、长1.6米、有6个轮子的庞然大物,还要完成复杂的通讯、导航、科研、数据分析处理功能,这点电力就很有限了。这跟大家想象的火星车在火星表面驰骋的场景完全不同,事实上两辆火星车的运动速度是以厘米/秒来计算,它们俩的飙车极限速度仅有5厘米/秒,而平均运动速度仅有1厘米/秒。 

  根据它的自我防护系统,它还要每开10秒就停下来20秒检查地形、避免风险。所以实际上火星车开的效果是:花了10秒钟,往前爬了大概一个人类手掌的长度,然后停下来喘息20秒钟,再继续努力往前爬。 

    

  第五幕:价值连城的“超级名车” 

     火星车还必须携带有大量图像拍照系统以辅助导航和自我轨迹判断,毕竟火星上可没有人帮它们指路,必须自给自足完成。因此,它们都携带了一个全景相机、导航相机安装在1.5米高的头部,身上还需要携带四个避险相机拍摄前后左右以避免危险,可谓是标准的“畏首畏尾”。没有办法,毕竟这是个极其精密、造价高达4亿美元的一辆车,经过大致计算,平均下来大概每克的价值就接近15000人民币,这可比一辆用纯黄金(金价大约一克300人民币)做的车贵太多了。 


把勇气号和机遇号叫做人类智慧的结晶,丝毫不为过(图源:NASA 

    

     不仅如此,它小小的能量依然要支持与地球的通讯,但显然这个能量太弱了,远远不够直接把信号发回地球。因此它们的选择方式是依赖其他“前辈”帮忙转发和传递信号:美国的奥德赛号、全球勘探者号、MAVEN、侦察轨道器等都相继为它们提供过数据传输服务。 

     在解决了动力、导航、通讯等核心问题后,终于到了最重要的方面:科研!虽然能量有限,两辆火星车依然携带了非常先进且高度集成化的科研仪器,它们基本都安装在火星车前部伸出的机械“手臂”上面。这也是无奈之举,因为整个背上几乎都是太阳能电池板,底部又全部是动力系统和结构系统。 

  在手臂上,既有穆斯堡尔谱仪、阿尔法粒子X射线光谱仪、磁体仪这种能够详细解读岩石和土壤中化学成分的仪器,也有热辐射光谱仪(装于头部)和显微成像仪这种能从远处和微观的近处观察土壤结构图像的设备。当然,为了辅助这些仪器得到研究的样本,还需要一个研磨工具,将岩石粉碎。在使用仪器时,火星车需要停下来,将大部分能量集中在机械臂上,机械臂把带有仪器们的前端缓缓抬到要研究的地方放下,仪器才可以开始工作。 

    

  第六幕:火星探测,使命必达 

     按照计划,勇气号着陆在古瑟夫陨石撞击坑(Gusev Crater,这个170千米宽的超级撞击坑可能隐藏着火星土壤的深层秘密;机遇号着陆在子午线高原(Meridiani Planum,这里曾经被发现存在大量的结晶赤铁矿,这意味着在远古时代这里极有可能是火星巨大的海洋/湖泊所在地。 


人类所有已在和将在(火星2020)火星上留下痕迹的火星着陆地点分布(图:Haibaraemily改自NASA 

    

     两个小家伙抵达火星后果然不负众望,为我们带来了海量科研成果,大大补充了“前辈”维京一号/二号、探路者号/旅居者号任务的研究成果。它们进一步分析了火星土壤成分,相比较地球土壤中基本50%是水和空气、5%是有机物、45%是矿物质和金属而言,火星土壤中仅仅有2%的水和空气,而余下的98%都是矿物质和金属。此外,在火星土壤中还首次发现了镍和锌元素,这二者理应来自火星深层内核,这个发现意味着火星表面的土壤可能源自火山喷发而来,也就是火星亿万年前剧烈地质活动时期的产物。 

     勇气号曾经在一块火星岩石上进行过“深层次”研究,它钻出了一个4.5厘米直径、0.5厘米深的洞,几乎是一个婴儿的手掌般。看似人类可以轻松做到,但对勇气号而言已经着实不易:这是它一动不动钻探了两个小时的结果。经过分析这块石头的基本结构,科学家们发现只有可能水的参与才会形成这些微型纹理和孔洞。 

机遇号发现的“蓝莓”一般的赤铁矿结晶(图源:NASA 

    

     它的“兄弟”机遇号则详细研究了大量类似地球上的玄武岩、表面覆盖了多层不同物质,它还去了一个富含粘土的山丘,以及一个远古湖泊的底部,那里发现了包括赤铁矿(一种铁锈)在内的含水矿物质,它甚至在撞击坑底部观测到了水流淌过后的痕迹,这意味着也许今天火星地下依然可能存在液态水。机遇号也比较幸运遇到了一个来自太空的礼物:它找到了一颗铁镍构成的陨石,也是人类首次在外星球找到陨石。 

     这些都印证了火星在远古时期拥有温暖潮湿的环境。不过,它们经过研究化学成分后推出结论:火星曾经的海洋和湖泊并不像地球上的水体一样温和,而是绝大部分水体呈现强酸性,并不适合绝大部分地球生命生存。它们的研究远超于此,不过限于篇幅没法全部展开了。 

    

  第七幕:我们征服太空,不是因为它简单,而是因为它很难 

     在勇气号和机遇号出发前往火星前,2001911日,美国遭遇了历史上最严重的恐怖袭击,纽约标志性的两座世贸大厦轰然倒塌。这次袭击造成近3000人殒命,且相当一部分是参与救援的消防员们,给美国造成了巨大的损失,事后全世界陷入了哀悼的气氛之中,这两个探测器也不例外。但正如它们的名字,代表了人类要越挫越勇的心情,在事后的遗迹清理过程中,科学家们利用找到的金属材料制作了一个特殊的线缆保护罩,它用来保护岩石粉碎工具。 

带有国旗的保护罩原料来自世贸双塔的遗迹(图源:NASA/JPL 

    

     此外,它们的着陆地点也成为了纪念碑。其中,勇气号的着陆地被叫做“哥伦比亚纪念碑”,这是为了纪念200321日哥伦比亚号航天飞机返回期间解体的灾难;相应地,机遇号的着陆地被叫做挑战者纪念碑,为了纪念1986128日挑战者号航天飞机在起飞期间解体的灾难。在这两个载入人类史册的航天灾难中,各自有7名宇航员殒命,成为历史之最。 

     正如肯尼迪总统的名言:“我们选择登陆月球,不是因为它简单,而是因为它很难”。两辆火星车,也肩负着人类的伟大使命。 

    

  第八幕:老兵不死,创造奇迹 

     这两辆火星车的原计划工作时间都是90天左右,科学家们认为90天之后火星空气中的沙尘就会覆盖满太阳能电池板,导致能量过低而无法继续工作。但没想到的是,火星上剧烈的沙尘暴和大风天气却帮了忙,风吹去了盖在太阳能电池板表面的尘土,让它重新暴露在太阳光的照射之中而获得新生。虽然在2007年火星巨大的沙尘暴中、99%的阳光被沙尘遮蔽了数月而导致这两个兄弟险些任务失败,但它们通过休眠方式在比地球风速快10倍以上的恶劣环境中最终幸存下来,赢得新生。 

勇气号传回地球的最后一张全景照片,这里就是它长眠的地方(图源:NASA/JPL/Cornell 

    

     在这种情况下,勇气号一直坚持工作到2011322日才宣告任务结束,此前它已经经历了轮子故障不能转动、且在2009年时就陷到软土中根本无法动弹,但它依然在那个坑里坚持工作了两年之久直到失联,那里成了它最终的墓地。 

  而机遇号情况好很多,它曾经也陷进过一片碎石沙地中,不过后来依靠地球上两个“堂兄弟”的各种模拟才最终花了一个半月时间逃离,那一小块地区也因此被重新命名为“地狱沙丘”。从此之后它更加小心,一直工作到2018年年中。 

     但后期的机遇号也在慢慢老去,每天的机上计算机会不断重启,工作一段时间就会自动清空数据存储,它犹如沉沉暮年的老人一样患上了“痴呆症”和“失忆症”,让人惋惜又深感无奈。 


机遇号拍到的火星,这恰好对应了阿波罗登月时奥尔德林感慨的“华丽的荒凉”(图源:NASA 

    

     勇气号和机遇号虽然移动速度极慢,但超长服役的结果却使它们成为了最优秀的火星车。勇气号共计工作了2269天,机遇号工作了5000多天。机遇号以平均1厘米/秒速度运动创造了在太空中最远行驶里程的记录,它已经在火星表面行进了45千米以上,早已超过前苏联在1973年发射的月球车二号(Lunokhod 2)在月球表面创造出的39千米的记录。机遇号就好比是龟兔赛跑里的乌龟,虽然慢但一直坚持到了最后的胜利。 

     不过悲剧的是,2018年火星又出现了席卷全球的巨大沙尘暴,机遇号由于能源问题再次陷入沉睡。年底沙尘暴消退后,NASA尝试了800多次联系都未能将其唤醒,最后只得宣布放弃。我们目前已经永远失去了这两个火星车。 

    

  第九幕:华丽终章,亦是开始 

     勇气号和机遇号虽然任务已经结束,但它们的华丽终章并未结束。它们的巨大成功再次掀起人类火星探测的高潮,在此之后有一系列探测器抵达火星并长期工作。 

     20036月,欧洲火星快车轨道器和小猎犬二号着陆器抵达,轨道器至今仍在工作; 

     20063月,美国火星侦察轨道器抵达,至今仍在工作; 

     20085月,美国凤凰号着陆器抵达; 

     20128月,美国好奇号火星车抵达,至今仍在工作; 

     20149月,美国MAVEN大气专家轨道器抵达,至今仍在工作; 

     20149月,印度曼加里安轨道器抵达,至今仍在工作; 

     201610月,欧洲ExoMars轨道器和斯基亚帕雷利着陆器抵达,轨道器至今仍在工作; 

     201811月,美国洞察号着陆器抵达,至今仍在工作; 

“核动力”的好奇号火星车,几乎是勇气号/机遇号的5倍大,各方面能力全面升级(图源:NASA 

    

     未来的2020年,中国、美国、俄罗斯/欧盟等,都将有新一轮火星探测任务前往火星,火星将迎来最为繁忙的一段时间。毫无疑问,它们的研究成果,将会大大超越勇气号和机遇号。 

      

  第十幕:下一站,火星 

     人类已经幻想了火星探测数万年,航天时代的实地探索也尝试了60年,这一切还在不断加速。所有人都在等待征服火星的那一天,人类从此可以被定义为一种全新的物种:一种来自于地球的、可跨行星生存的生物。 


机遇号在2018年失联前最后一张“完整”自拍,成为它的绝唱(图源NASA 

      

     然而,60年来,人类发射的火星探测任务成功与失败大约各占一半。当我们在缅怀勇气号和机遇号永远长眠在火星时,还有火星二号、火星三号、火星六号、火星七号、福波斯一号、福波斯二号、极地登陆者号、深空二号、火星96、福波斯·土壤号、小猎犬二号、斯基亚帕雷利号并未成功降落在火星。这仅仅是失败的着陆器名单,而如果算上轨道器,这个名单会更长。探测火星,真的很难。   

     老兵不死,他们只是老去。这些长眠在火星的探测器已经成为了人类文明的新地标,未来的征程,我们依旧在路上。 

关闭