北京时间 3 月 4 日消息，2021 年 2 月 18 日周四，“火星 2020”任务中的毅力号探测器在火星表面成功着陆，标志着 NASA 将在这颗红色行星上开启第九次地表探索任务。毅力号在火星表面的耶泽罗撞击坑着陆。在这里，毅力号将开始探索新的陌生地形，寻找古老生命迹象。自第一架航天器飞往火星以来，已经过去了六十年。一开始，人类发送的航天器只能飞越火星，接着进入火星的轨道，再然后是着陆，最后在火星表面漫游。随着时间的流逝，人类对火星的了解越来越丰富，技术能力也在不断提高，探索方式和探索目标也在随之发展。接下来，让我们一起了解一下 “火星 2020”任务的三个新的挑战，这使得 “火星 2020”任务与之前的任务不同，并且有可能影响火星探索的未来。
▲ 毅力号火星车
将火星样本带回地球
火星样本取回（MSR）任务由 NASA 和欧洲空间局联合计划。毅力号任务的主要目标之一就是拿起这个任务的第一棒。毅力号火星车在这个星际接力赛中的角色是收集具有科学吸引力的岩石样本，然后将样本送到火星表面的指定位置。最终，另一辆火星车会抵达耶泽洛撞击坑，取回毅力号堆放的岩石样本。这辆火星车在取回样本后，会将它们转移到火星上升飞行器（MAV）的小火箭中，然后小火箭再携带样本进入轨道，与地球返回舱会合；经过航天器之间的最后一次接力，样本将踏上返回地球之旅。
但是，火星样本取回任务，无论是从技术还是后勤上而言，都十分复杂。仅样本采集就需要一个极其复杂且多面的机器系统。首先，火星车手臂用来凿取岩石，然后将凿取的材料保存到一个小小的样本试管内；然后，样本会转送到火星车内部，接受一系列检查；最后，样本试管会被送往密封站，在那里进行密封保存，等待回程之旅。这个过程的每一个步骤都离不开极高的精确水平，而毅力号在其任务期间可能要执行这个小任务三十多次。当然，毅力号并非完全自主的火星车。也就是说，毅力号去哪里，凿取哪块石头（不凿取哪块石头）以及在哪里存放样品（以便未来的火星车可以找到这些样本）等等，都需要我们人类来决定，这些都是非常真实的挑战。毫无疑问，这些决定会在团队内引发一系列常规讨论。火星车可以收集的样本数量有限，团队选择处理这些样本的方式，不仅关系到任务的成功，而且也关系到整个火星样本取回任务的成败。
▲ 火星样本取回任务中的火星上升飞行器，概念图
哪怕毅力号完美地完成了它在火星样本取回任务中的职责，为了将样本成功送回地球，人类还有更多的工作要做。这些不仅需要花费大量时间和金钱，还涉及多个任务，以及此前从未在火星上使用过的新技术。但是无论如何，潜在的回报也是巨大的。在地球上，科学家可以使用更多不同的科学仪器，从而更好地研究从火星上带回来的岩石样本。火星取回样本任务让我们有机会在了解火星地质以及潜在宜居性方面，取得重大进展。这个任务也能帮助我们规划未来的载人火星任务。阿波罗号也从月球带回了岩石样本。几十年过去了，科学家仍在研究这些石头。因为火星样本取回任务的存在，即便毅力号结束了其在火星表面的任务，它仍将继续为我们提供科学研究价值。
▲ 火星样本取回任务的总体策略示意图
在火星上学习飞行
毅力号的火星之旅并不孤单。与它作陪的，还有一架小型直升飞机——机智号。在毅力号着陆后，机智号将执行一系列试飞活动。这也是人类有史以来首次在另一个星球上尝试动力飞行。不过，火星大气比地球上的更加稀薄，因此在火星上驾驶一架直升飞机绝非易事。火星大气密度不到地球大气的百分之一，直升飞机在这样稀薄的空气中很难起飞。为了在火星上尝试飞行，机智号已经在地球上接受了多个测试，包括模拟火星大气的风洞测试。然而，我们从未能够在地球上完全模拟火星环境，尤其是我们无法避开地球的引力场。尽管在理论上，火星的低重力环境可以降低直升飞机起飞的难度，但是大自然的工作方式总是出乎我们的意料之外。所以，在这个激动人心的地外实验中，每个人都无比期待机智号的表现。
机智号也是首架为火星表面飞行而设计的直升飞机，即所谓的 “技术演示”。严格来说，直升飞机飞行其实是独立于毅力号任务之外的另一个任务。假如机智号未能按预期工作，它也不会影响 “火星 2020”任务的整体成功。但是，如果机智号成功起飞，它们将开启火星探索的全新方式。事实上，第一架火星车——旅居者号，也是火星探路者号任务中的一个技术演示。事实证明，旅居者号的成功，开创了新一代的火星漫游探测器。旅居者号之后，NASA 启动火星探测漫游者计划，向火星发送了勇气号和机遇号火星车，接着是好奇号，然后是现在的毅力号。所以，如果机智号取得类似于旅居者号的成功，那么，在不远的将来，可能会有更多直升飞机飞行于火星表面。
▲ 机智号在火星上试飞的渲染图
空中探测器可以带来诸多潜在的优势。首先，直升飞机可以覆盖的地表面积远大于漫游车；其次，直升飞机也可以提供火星表面的不同视角。机智号上配有两个摄像头，试飞期间的拍摄的照片可以让工程师研究飞行动态，甚至可以协助团队决定毅力号的前进路线。轨道摄像头诚然也可以拍摄到火星表面的照片，但是直升飞机从火星上空拍摄的地表照片将更加清晰。这个有利位置对于在火星上（乃至太阳系其他天体上）寻找潜在的有趣地点非常有帮助。（蜻蜓号任务的工作已经在进行中。未来十年内，人类将向土卫六发射蜻蜓号无人太空飞行器。）
机器人探索之外
多年来，NASA 一直没有放弃载人火星探索。但坦白而言，这个目标始终看似遥遥无期。尽管先前的火星车探索已经提供大量信息，帮助人类安全往返地球和火星，但人类探索从未成为火星表面探索任务的一个明确目标，直到 “火星 2020”任务的开启。
“火星 2020”任务的四个公开的主要任务之一是，获取有助于为载人火星任务做准备的数据与测试技术。火星车上进行的几项新实验将直接与这一目标有关。火星氧气就地资源利用实验（MOXIE）仪器将尝试把火星大气中的二氧化碳转变为可供宇航员呼吸和用作火箭推进剂的氧气。就地资源利用或许会在未来的人类火星表面探索任务中发挥关键作用，尤其是考虑到，发射载人 MAV 离开火星表面返回地球时将需要大量推进剂。从地球向火星运输大量储备推进剂成本高昂，因此人们更有兴趣知道，火星地表资源是否可以用来就地产生燃料，从而减少航天器的有效载荷。
火星大气是一个潜在的推进剂来源，另一个来源是地下冰层。毅力号上的火星地下实验雷达成像仪（RIMFAX）是有史以来首个发送到火星表面的探地雷达。该雷达成像仪使用雷达探测，可以 “看见”地表以下几米的状况。火星轨道上的雷达仪器已经发现，该红色行星的某些区域存在大量地下积冰的证据。如果我们可以从地下提取这些积冰，那么我们就可以用其来就地生产燃料。诸如 RIMFAX 之类的仪器可以协助我们从地表识别地下冰层（不过，需要说明的是，毅力号不太可能在耶泽罗撞击坑附近发现积冰）。
▲ RIMFAX 研究火星车下方地层，渲染图
毅力号还会携带宇航员宇航服材料的五种样品，这些样品将被用作 “扫描宜居环境寻找有机和化学的拉曼和发光仪器（SHERLOC）”的校准目标。但是，这些样本也将提供一种方法，以研究这些材料在火星表面环境下的持久力。特别是，火星表面弥漫的尘埃与辐射会对人类探索构成严重挑战。所以，我们有必要设计一种既能在如此恶劣环境中为宇航员提供保护，又能方便宇航员有效工作的太空服。对于梦想着有朝一日踏上火星的人们而言，毅力号的这一个任务着实令人期待。通过搜集火星表面环境的数据以及在其中测试创新技术，毅力号任务或许可以让载人火星探索任务梦想成真。
▲ 毅力号上携带的宇航服材料
在许多方面，毅力号任务代表了火星探索的下一步进化步骤。通过这些首创，毅力号将为未来机器人和人类开辟一条新的道路。过去，人类经历了许多；未来，人类将拥抱更多。
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