“火星2020”：人類歷史上最貴的“車”

文/毛新愿

▲“火星2020”藝術概念圖

在“洞察號”發射成功之際，有人可能會問：美國近期還有什么火星探測計劃？恰好，就在不久前，美國宇航局宣布：人類歷史上最為復雜的火星車——“火星2020”的建造取得重大進展，將會順利趕上2020年7月的發射窗口。

由于火星與地球在太陽系的相對關系，二者擁有一個780天的會合周期，也就意味著從地球探測火星的窗口每26個月才出現一次，如果錯過就要額外等待兩年多。

按照以往的慣例，在發射前美國宇航局估計又將舉辦小學生作文大賽，為這部火星車征名，不知道會是哪位小朋友得到這個殊榮。

技術看點

早在2012年8月6日造價高達25億美元的好奇號火星車成功降落火星后不久，當年12月4日，美國宇航局關于新一代火星車的項目就正式立項，也就是眼前的這個“火星2020”。它是基于“好奇號”的平臺開發而來，在眾多儀器上做出一定改進。

相比較“好奇號”專注于分析火星土壤和巖石的物質組成，“火星2020”則專注于尋找生命的痕跡。它攜帶的X射線光化學熒光光譜儀，可以更加精細測定土壤和巖石的精細元素構成；攜帶的新型地下雷達成像儀則直接可以探測地下十米以內的水冰和鹽水含量，并輔助監測有機物的含量。

除具備“好奇號”的功能之外，“火星2020”還有四個重大創新：

一是攜帶了一套火星制氧實驗裝置，可以將空氣中二氧化碳轉化為氧氣。對于人類未來的載人登陸火星任務來說，幾乎不可能將返回火箭發射時用的巨大燃料儲備送到火星地表，這難度過大。從火星空氣和土壤中提取甲烷、液氧、液氫等燃料，無疑成為最佳選擇。而氧氣的制備，無論對于未來人類的生存還是火箭燃料來源，意義不言自明。

二是攜帶了一臺“火星直升機”。雖然火星的大氣密度和氣壓連地球的1%都不到，但“火星2020”將釋放一臺僅重千克的超強直升機，為了飛起來需要達到地球同類直升機轉速10倍以上，能夠實現每天最多3分鐘的工作時間。它可以極大擴展“火星2020”的探測范圍，每天可以探測1公里左右。這將是人類歷史上首次將有翼飛行器送入其他星球。要知道人類第一個火星車“旅居者號”在7天工作時間內才爬行了100米左右距離，而這個直升機每天的工作距離都是它的十倍之遠！

三是攜帶了共計23臺照相機，為歷史之最。除了工程和避險相機外，這23臺相機分別具備實現彩色成像、三維成像、微距成像等一系列復雜功能。因此，“火星2020”的功能也將大大提升：它不再需要停下來一塊一塊分析土壤和巖石，當發現值得研究的目標時，僅需調動相關相機就可在幾米開外進行詳細探究。

四是將在人類探測火星60周年之際開啟采樣返回的新一輪挑戰。俄羅斯曾經嘗試兩次火星采樣，但都不幸失敗?！盎鹦?020”將會收集值得研究的火星土壤或巖石樣本，由下一個專注于發射火箭返回的探測器將樣本送回地球?；鹦擒嚳v然已經功能強大，但和地球上的專業實驗室相比還不可同日而語，如果能夠帶回地球研究，得到的結論必將讓人大吃一驚。

可以想象，“火星2020”所實現的功能將大大超越“好奇號”。當然，它的質量也不低，預計將達到1噸左右，甚至超越它的前輩“好奇號”，成為人類歷史上最重的一輛火星車。

▲“好奇號”降落過程中“空中吊車”技術全過程

“空中吊車”再現

“火星2020”將繼續沿用“好奇號”的“空中吊車”技術：在降落過程中，著陸器在經過大氣摩擦減速和降落傘減速后將會分成兩個部分，上部分攜帶有巨大能量的8個反推火箭，形成一個懸浮在空中的“吊車”，下部的火星車通過電纜和3條柔性鋼索與之相連。隨著空中吊車緩慢減速降落，一旦火星車安全碰觸地面，所有的關聯繩索在幾毫秒內迅速被切斷，空中吊車迅速飛走并遠離火星車后墜毀。

要知道，這幾乎相當于把一輛家用小轎車從迪拜塔上扔下來后，中途啟動空中吊車（“好奇號”的吊車啟動時運動速度高達90米/秒、距離地表數百米），在短短幾十秒內將相對速度減到幾乎為0。而由于火星車上精密儀器的存在，對沖擊力的容忍程度非常低，相當于家用轎車的報警系統也不能被觸發，難度可想而知。而“火星2020”的空中吊車還將做進一步改進，可以規避風險選擇最優路徑，將火星車放到最理想的地點。如果說“好奇號”的空中吊車可以將它從迪拜塔安全“扔到”火星表面，那么“火星2020”的空中吊車則可以將它精準“扔到”停車位里。

能量來源方面，“火星2020”也將繼續沿用钚-238組成的放射性同位素熱電機。這種原子彈副產品制造的“核電池”有著高達88年的半衰期，可以為火星車24小時提供穩定的能量來源。這種電池已經陪著兩個旅行者號探測器在太空中飛行了40年，依然與地面保持有效聯系。它也驅使著“好奇號”在火星表面行走了17310米！而且每一天，這個距離都在增加。

▲計劃接應并執行采樣返回火箭發射任務的火星探測器藝術圖

▲“好奇號”降落到火星后的一張自拍（舉著相機的機械臂已被PS掉）

▲火星直升機藝術效果圖

史上最貴的“車”

由于繼續使用了“好奇號”的基準平臺和成熟的空中吊車技術，“火星2020”在建造方面的成本有所降低，但由于新型儀器的使用，它目前的預算已經高達21億美元，逼近“好奇號”的25億美元。

考慮到它還有2年多才發射且極有可能是一個超長工作時間的火星車，它的預算最后極有可能超越“好奇號”，成為人類歷史上最昂貴的一部車。

而“好奇號”的25億美元是個什么概念呢？890千克的它，大概等值于40噸黃金，而“火星2020”極有可能超過這個數字！

現在，包括美國、歐空局、中國、俄羅斯、日本、印度和阿聯酋的眾多航天機構也都摩拳擦掌，瞄準2020年這個時間窗口。屆時，人類即將迎來探測火星歷史上最繁忙的一年！