圖解深空探測史

文 / 葉楠

火星探測（下）

火星勘測軌道飛行器：攜帶大口徑相機

火星勘測軌道飛行器（左圖）是美國宇航局于2005年8月12日發射的一顆火星人造衛星，2006年3月10日進入火星繞轉軌道，經過5個月的大氣剎車及軌道調整，最終軌道高度為250～316公里，周期為112分鐘。其主要工作是對火星進行高分辨率成像，為未來的火星地面任務尋找合適的登陸地點，以及為這些任務提供高速通訊服務，并利用所攜帶的科學設備對火星的大氣、氣候進行探測，在極地區域尋找水的痕跡。時至今日，火星勘測軌道飛行器同“2001火星奧德賽號”和“火星快車號”一樣，依舊在火星軌道上超期服役。

火星勘測軌道飛行器攜帶了超過10套的科學儀器及試驗設備，包括3臺相機，其中最大的一臺是高分辨率成像科學設備（右圖），重達65千克，造價4000萬美元，其鏡頭是一臺口徑0.5米的反射望遠鏡，傳感器是由14枚CCD組成的陣列，分辨率達0.3米，其紅外波段單張圖像的最大尺寸為20000×126000像素，單張照片容量約為28GB。

鳳凰號：安裝機械臂的著陸器

2007年8月4日，美國的鳳凰號火星探測器（左圖）從卡納維拉爾角空軍基地發射升空，它將對火星極地環境及氣候進行探測，搜尋是否有微生物存在過的證據，以及研究極地水冰的歷史。除了常規的科學設備之外，“鳳凰號”還搭載了一個長約2.3米的機械臂，它可以挖掘火星表面土壤并送回“鳳凰號”內進行科學檢測。2008年5月25日，“鳳凰號”在火星北極地區成功軟著陸。

“鳳凰號”成功著陸后不久，便在火星表面挖開的大約5厘米深的表層土壤里發現了水冰的升華現象，可以看到升華的三個小冰塊，每個尺寸不到2/3英寸（右圖），不過指甲蓋大小。后續的土壤采樣也證實了水冰的存在，在將樣品加熱的過程中，當溫度達到0℃的時候，“鳳凰號”所攜帶的科學儀器探測到了水蒸汽。2008年10月28日，“鳳凰號”由于太陽高度角過低及沙塵暴造成的電力不足進入安全模式，2010年初，在火星北極下一個春季到來時，美國宇航局試圖嘗試與“鳳凰號”聯系，但沒有成功。通過“火星勘測軌道飛行器”的照片分析顯示，“鳳凰號”的太陽能電池板已經被火星北極冬季的干冰壓壞。“鳳凰號”設計壽命為90個火星日，實際在火星北極成功運行了152個火星日，完成其全部科學目標。

好奇號：最大的火星車

好奇號火星探測器（左圖）是美國宇航局在火星科學實驗室項目中研制的一臺火星車，比起它的前輩“索杰納號”“勇氣號”和“機遇號”，“好奇號”無論是重量還是體積都大得多，它長2.9米、寬2.7米、高2.2米，重899千克。由于火星上沙塵暴及其他不利條件，“好奇號”并沒有使用太陽能，而是使用了同海盜1號、2號一樣的钚-238放射性同位素熱電機提供能量。“好奇號”的機械臂長2.1米，可以自由旋轉350度，配備有鉆頭、機械鏟、X射線光譜儀、透鏡成像儀等，用來鉆取（右圖）、篩分巖石和土壤樣品并進行礦物的化學分析。“好奇號”的主要目標是確定火星是否曾經有過適合生命存在的環境，以及水在其中所起的作用。

“好奇號”于2011年11月26日發射升空，2012年8月5日在火星蓋爾隕石坑成功著陸，它是一輛可以從地球遠程遙控操作的火星車，由于距離遙遠，從地球發出的信號有15分鐘的延遲。地面人員會為它選取好目標位置，“好奇號”再依靠自身的相機雷達等設備自動躲避障礙抵達目的地。“好奇號”的數據分析結果會借助現在依舊在軌的三個火星軌道飛行器——“火星快車號”“2001火星奧德賽號”以及“火星勘測軌道飛行器”傳回地球。2015年9月，美國宇航局公布“好奇號”在火星土壤中發現大量水分，重量占比可以達到1.5%至3%，這對未來人類登陸火星來說是一個好消息。“好奇號”的設計壽命為2年，但是直到今天，它依舊“馳騁”在火星表面。

曼加里安號：印度首個火星探測器

曼加里安號火星探測器（左圖）是印度的第一個火星環繞探測器。2013年11月5日發射，2014年9月24日成功進入火星軌道，軌道高度422×76994公里，傾角150度。這次成功使得印度成為全球第一個第一次嘗試便成功進入火星軌道的國家，也是繼俄羅斯、美國、歐洲之后世界上第四個、亞洲第一個成功進行火星探測的國家或組織。“曼加里安號”共攜帶了15千克重的科學儀器，對火星大氣、空間粒子進行探測，對火星地表進行成像研究。右圖為“曼加里安號”在距火星表面7300公里的高度傳回的首張火星照片。

馬文號：探測火星大氣失蹤之謎

美國的馬文號（MAVEN）火星探測器（左圖）發射于2013年11月18日，2014年9月22日進入火星軌道，軌道高度150×6300公里，是人類首顆專門設計用于考察火星高層大氣的探測器，“MAVEN”是“火星大氣與揮發物演化任務”的縮寫。“馬文號”的主要研究目標是火星大氣，包括火星上層大氣逃逸情況、電離層與太陽風作用、大氣隨時間流失情況等，借此了解火星的氣候、水及宜居性變化的歷史。“馬文號”2015年發布數據證實，由于火星內部發電機冷卻，火星磁場屏蔽作用消失導致火星大氣被太陽風剝離。2017年3月，為了避免與火衛一相碰撞，“馬文號”通過空間剎車將遠火點高度降低到4500公里（右圖，黃色的是原軌道）。

火星微量氣體任務：歐空局與俄羅斯的合作

火星微量氣體任務（左圖）是歐空局和俄羅斯航天局合作的一項火星探測任務，也是歐空局主導的火星生命探測計劃中的一部分。通過之前的探測發現在火星大氣中存在有微量的甲烷，同時這些甲烷還隨時間和位置變化而變化。這可能預示著火星上存在微生物或者類似地球表面的化學變化，如火山活動或地熱活動。為識別火星大氣中甲烷的來源及繪制火星大氣層地圖，火星微量氣體任務應運而生。火星微量氣體任務包括一個探測器和一個著陸器，于2016年3月14日發射，10月19日入軌，軌道為高度400公里、傾角74度、周期74分鐘的圓軌道。探測器所攜帶的火星著陸器名為斯基亞帕雷利，遺憾的是由于儀器故障最終墜毀在火星表面。右圖為“斯基亞帕雷利”著陸火星示意圖。

洞察號：首次探究火星“內心深處”的奧秘

洞察號（左圖）是美國宇航局研制的一個用于研究火星內部結構的無人著陸探測器，它的全稱是“利用地震勘測、大地測量與熱傳導的火星內部探測”，英文簡稱InSight，直譯為洞察號。2018年5月5日“洞察號”從美國范登堡空軍基地發射升空，11月26日成功降落在火星埃律西昂平原，坐標為北緯4.5度，東經135度。“洞察號”著陸器重358千克、長6米、寬1.56米、高1.08米。在著陸的過程中，還有一對小衛星MarCO A和MarCO B伴隨在“洞察號”兩側，它們是隨洞察號任務一同發射前往火星的，用來實時高速傳遞“洞察號”降落時的信息（右圖）。“洞察號”的主要工作目標是研究火星內部地質結構，通過對火星核心、地幔、地殼的大小、厚度、密度等進行探測，找出與地球的異同，由此探究太陽系類地行星的形成和演化。