探路者——火星上的小车

郑永春

三代火星车的大小对比，从小到大依次为索杰娜、机遇号和勇气号（由于结构完全相同，所以只展示其中一辆）、好奇号（NASA/JPL-Caltech）

机遇号火星车即将开始远征前，最后一次“深情”凝视带它来到火星的着陆器（NASA/JPL-Caltech/Cornell）

先锋官索杰娜号

科幻大片《火星救援》中，马克经过长途跋涉，找到了遗留在火星表面上的火星车，利用火星车上的天线，他重新与地球上的工作人员取得联系并最终获救。

艺术源于现实。影片中救了马克一命的那辆火星车，并非是凭空捏造出来的，而是1996年发射升空，1997年了月4日登陆的火星车——索杰娜号。

索杰娜号是一辆小型火星车，仅10.6千克重。登陆火星前，它搭载在火星探路者号（Mars Pathfinder）着陆器上。为了装进着陆器内，它把摇臂转向架悬挂系统安装在车身侧面;两侧的主转向架放倒，折叠起来，放进火星车的肚子里。折叠后，车身高度只有18厘米，也就一个足球那么高。

登陆展开后的火星车，长65厘米，宽48厘米，高30厘米。摇臂转向架可以检测到20厘米高的岩石，如果火星车有侧翻危险，坡度感应器则会发出警报。因为个子太矮，所以从索杰娜拍到的照片中，火星上的石块看起来都很高大。

索杰娜号的上甲板铺设了一层太阳能电池，车内安装了一套电子系统，设计寿命只有一星期。火星车有一根杆状天线，但由于功率太小，无法将信号直接发送给地球，只能通过着陆器进行转发，才能与地球通信。当它正式工作时，地面工程师会通过着陆器，传给它一系列运动指令，引导它前进。除了可以遥控驾驶，索杰娜还有一种自动驾驶模式——可以自主选择路线，我们只需告诉它提前避开某些障碍物即可。

索杰娜配备了6个铝合金车轮，直径13厘米，还有不锈钢轮胎和刹车系统。每个车轮都有电动马达，可以独立驱动。它走的很慢，最快的时候也只有1厘米/秒，这也是勇气号、机遇号和好奇号设计的最快速度。而且，它也离不开着陆器，只能一直围绕着陆器工作。

由于重量限制，索杰娜的探测设备也很简单，只在火星车后部安装了一个简易的彩色摄像头和一台能谱仪。遇到要分析的岩石时，火星车必须掉头，让车尾的能谱仪直接接触石块，才能进行分析。而且，分析过程往往要耗时几个小时，才能获得较高的信噪比，识别出岩石中的化学元素。根据采集到的数据，科学家可以确定岩石中的矿物成分和形成环境。

作为第一代火星车，索杰娜为此后更复杂、功能更强大的机器人火星车，担当起了“探路先锋”的重任。

跑马拉松的勇气号、机遇号

勇气号和机遇号是一对“双胞胎”，不仅外形长得一模一样，连携带的探测设备也完全相同。小哥俩分别于2003年6月10日和7月7日前后脚发射，2004年1月4日和1月25日先后登陆火星。

火星表面探测器登陆点分布。第一代火星车索杰娜号与火星探路者号一起，登陆克里斯平原;第二代火星车，机遇号登陆子午线平原，勇气号登陆古谢夫撞击坑。图中黑色圆点为第三代火星车好奇号的三个预选登陆点，2012年8月，好奇号最终登陆在盖尔撞击坑。凤凰号着陆器于2008年5月登陆，海盗1号和海盗2号，则是1976年登陆的两个火星着陆器（NASA/JPL-Caltech）

勇气号的目的地，是直径约150千米的古谢夫撞击坑。古谢夫位于火星南北半球的地形二分线。遥感图像显示，古谢夫的南部受到了来自马丁峡谷的水流冲刷，曾经有一个湖泊，至今还残留着各种沉积物。因此，科学家希望借助勇气号，确认那里的岩石究竟是湖底沉积形成的，还是在干燥环境中形成，后来才被水浸泡的。但登陆后，勇气号发现，那里并没有沉积物，只有火山喷发的玄武岩。

机遇号的目的地，位于火星赤道以南的子午线平原。那里特别平坦，厚达数百米的灰色赤铁矿覆盖在阿拉伯台地上，看起来就像火山喷发的碎屑物质。众所周知，火星之所以是红色的，是因为表面的含铁物质被氧化后呈红色，这些物质就是赤铁矿，与铁锈的成分相同。研究发现，灰色赤铁矿与红色赤铁矿的化学成分相同，科学家很想知道，这些灰色的赤铁矿是怎么形成的。

好奇号火星车结构（NASA/JPL-Caltech/Woods）

勇气号和机遇号之所以都选择在赤道地区登陆，一是因为那里的太阳能比较充足，可以给火星车提供充足的电能;二是因为那里地势低洼，海拔较低，用降落伞进行减速的距离更长，效果更好。

作為第二代火星车，勇气号和机遇号各重170千克，是索杰娜号的16倍。它们的个子也要高得多，桅杆上导航相机的视场更宽，这让地球上的工作人员看它拍摄的照片，就像身临其境一般，因而能方便地操控火星车。

作为机器人“地质学家”，勇气号和机遇号的主要目的是分析火星岩石的物理特性、化学和矿物组成。阿尔法粒子-X射线谱仪用于分析岩石中除氢以外的主要元素;穆斯堡尔谱仪主要用于分析岩石中的铁元素;集成了多种工具的机械臂，可以在五个自由度内运动，以选择特定的石块。另外，机械臂上安装的显微成像仪（就像地质学家常备的手持放大镜）可以识别出哪些石块是水中形成的、哪些是火山喷发形成的、哪些是小天体撞击形成的。显微成像仪不仅能观察石块中的纹理，还能检测土壤颗粒的大小和形状，分析火星土壤侵蚀过程。

好奇号火星车结构（NASA/JPL-Caltech/Woods）

火星上的沙尘暴常常席卷全球，因此，几乎整个火星表面都覆盖了一层红色的沙尘。当年，索杰娜号就被这层沙尘给蒙蔽了，它在着陆器周围走来走去，看到的物质成分都差不多。“吃一堑，长一智”，为了揭开沙尘底下的秘密，科学家给第二代火星车配备了专门清除石块表面灰尘的不锈钢刷头，同时还配备了一个钻头。这个钻头可以在石头上打磨出一个几厘米深的圆孔，然后用光谱仪就可以分析岩石内部的成分。

更令人称道的是，作为一款低成本航天器，勇气号和机遇号当初的设计寿命只有短短的三个月（90个火星日，1个火星日比地球日约长半小时）。但是，它们的表现远远超出人们的预期：勇气号一直运行至2010年，工作了6年多，跑了7.7千米;机遇号更是一直运行至2018年（是设计寿命的59倍），工作了整整15年（约相当于8个火星年），而且，它还是宇宙“马拉松”比赛的冠军，跑了45.16千米，超过一个全程马拉松的长度。

核动力“航母”好奇号

每天清晨，当你登录好奇号的官网，就可以接收到来自火星的气象报告：比如此刻盖尔撞击坑内的温度、气压、风速等气象参数，以及当地的太阳升起时刻和落山时刻，这些数据来自好奇号上的火星气象台。

好奇号属于第三代火星车，质量更重、体积更大、功能也更强大。它的外形尺寸与一辆私人轿车差不多，重约900千克，相当于勇气号或机遇号的5倍。因为太重，所以不能像前三辆火星车那样，用安全气囊弹跳的方式登陆。为此，工程师们研发了一种全新的登陆方式——空中吊车。当它进入火星大气层，离地面1600米高度时，隔热罩后盖脱离，甩掉降落伞，启动空中吊车，8台发动机开始反推减速;当离地面20米高度時，空中吊车在火星上空悬停，释放出一根缆绳，把火星车缓缓落到地面;最后，空中吊车割断缆绳，主动飞离。这种登陆方式，不仅可以把更重的设备运到火星表面，而且相比用气囊着陆，火星车受到的冲击也要小得多。

作为第一辆没有“翅膀”的火星车，好奇号采用同位素温差发电机，通过放射性元素衰变释放的热量进行发电。由于不再受到太阳能发电的约束，好奇号着陆区的选择范围更宽，只要在南北纬60°以内，海拔1千米以上即可。最终，它选择了机遇号和勇气号曾经想去而不敢去的盖尔撞击坑。

一位艺术家描绘的空中吊车下方悬挂着好奇号火星车，准备在火星表面着陆时的场景（NASA/JPL-Callech）

好奇号还有一个官方的正式名称——火星科学实验室。这是因为地球上一个普通岩矿实验室能做的常规分析任务，好奇号都能独立完成。它配备了9台科学仪器和1个环境探测包，光是相机就有3个。它能抓、能铲、能钻探，还能筛选、研磨、转移到测试盒，添加化学试剂，进行加热，测量光谱，得到显微图像，真的就像一位合格的地质学家。

好奇号的设计寿命只有2年，但目前仍然状态良好，是唯一仍在正常运行的火星车。好奇号发现，盖尔撞击坑中曾经有过一个淡水湖，这样的中性环境显然更适合生命的繁衍;它发现了一片鹅卵石，根据石头的大小和圆度，科学家推测，这些鹅卵石是被水流从别处搬运过来的;它还检测到大气中含有甲烷，如果是在地球上，根据这些数据，科学家已经可以宣布火星上有生命活动。样品分析仪在土壤中检测到多种有机物，但科学家还无法确定这些有机物的来源。因为除了生命活动会产生有机物，还有大量的有机物会随着陨石和宇宙尘埃落到火星上。

显然，科学家还需要更多的证据，才能回答火星上究竟有没有生命。而这，有待下一辆火星车来完成。目前，好奇号这艘核动力火星车的使命仍未终结。未来，它还会带给我们哪些激动人心的发现呢？

（责任编辑/徐沐妍 美术编辑/胡美岩）