美國毅力號火星車成功著陸火星

王帥 李鵬 郭文博 張揚眉

（1北京空間科技信息研究所 2中國空間技術研究院發展計劃部）

美國東部時間2021年2月18日15:55，“火星2020”（Mars 2020）探測器攜帶毅力號（Perseverance）火星車，在經歷“恐怖七分鐘”的進入、下降和著陸（EDL）過程后，最終成功著陸在杰澤羅（Jezero）環形山。接下來，毅力號將在火星表面工作至少1個火星年（687個地球日）。該任務的科學探測目標為探尋火星過去的宜居條件，探索火星表面遠古的生命痕跡，并采集火星巖石和土壤樣品，將其存儲在容器中，供未來的火星任務帶回地球。

1 任務基本情況及歷程

“火星2020”任務屬于美國國家航空航天局（NASA）“火星探測計劃”，任務目標主要是探測火星的宜居性，尋找生命存在的痕跡，采集樣品等待后續任務帶回地球，測試火星大氣制氧技術，為未來載人任務做準備。“火星2020”任務由美國噴氣推進實驗室（JPL）管理，成本高達27.713億美元，其中規劃成本為3.976億美元，研制與發射成本為20.362億美元，運行成本為3.375億美元。

“火星2020”探測器由三部分組成，包括巡航級、EDL系統和毅力號火星車。毅力號是NASA迄今為止建造的體積最大、質量最重的火星車，繼承了好奇號（Curiosity）的設計，質量為1025kg。毅力號還攜帶了一架名為機智號（Ingenuity）的火星直升機。該直升機研發和運行費用約為8500萬美元，質量為1.8kg。

2020年7月30日，“火星2020”探測器搭乘宇宙神－5－541（Atlas－5－541）運載火箭從卡納維拉爾角空軍基地發射。經歷近7個月的巡航階段后，探測器到達火星。

按照飛行計劃，2021年2月18日15：38，巡航段分離；15：48，探測器以約19500km/h的速度進入火星大氣層頂部；15：49，探測器底部熱度達到峰值，約為1300℃；15：52，在超音速狀態下打開降落傘，準確的時間基于新的“距離觸發器”（Range Trigger）技術；開傘后約20s，EDL系統底部分離，火星車可以使用雷達確定距地面的距離，并利用“地形相對導航”（Terrain-Relative Navigation）技術尋找安全著陸點；15：54，EDL系統中連接降落傘的后殼分離，“噴氣背包”（Jetpack）利用反推發動機減速并飛向著陸地點；15：55，毅力號火星車利用“空中吊車”（Sky Crane）以大約2.7km/h的速度著陸在火星表面。

毅力號著陸過程

上述時間為地面團隊收到信號的時間，對于“火星2020”探測器而言，這些時間需要提前11分22秒（地火通信所需時間）。

著陸后，毅力號開始進行初始檢測以及為期約30天的試運行，包括部署桅桿和高增益天線、開始拍攝著陸點圖像、升級火星車飛行軟件、對所有儀器進行健康檢查、機械臂測試、短暫行駛測試、放下保護直升機的托板等操作。之后，毅力號將尋找一塊平地部署機智號直升機，然后毅力號將行駛至安全位置，機智號則將在約30天時間內進行一系列測試飛行。在完成直升機測試飛行后，毅力號將開始探測活動。

2 著陸和探測特點分析

全球第九次成功著陸火星，迄今為止最大火星巡視器

火星著陸探測是當前難度最高的航天任務之一，成功率不到50%。截至2021年2月，全球共實施了47次火星探測任務，其中著陸和巡視任務為22次，包括火衛一（Phobos）采樣返回任務“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）。在已實施的21次火星著陸和巡視任務中，有15次成功進入火星大氣，僅有9次任務完全成功著陸。美國實施的10次著陸任務全部進入火星大氣，僅失敗1次，其余9次全部成功；蘇聯/俄羅斯實施的9次著陸任務僅有3次進入火星大氣，火星－3（Mars－3）成功完成了著陸，但只返回了20s的信息，并不算完全成功；歐洲實施的2次著陸任務全部進入火星大氣，但均以失敗告終。

“火星2020”探測器成功完成了全球第九次火星著陸，再次證明了美國在火星探測，特別是EDL技術方面的絕對領先。著陸火星的毅力號火星車質量為1025kg，是迄今最大的火星巡視器。在此之前，共有4輛火星車成功著陸火星，分別為10.5kg的索杰納號(Sojourner)、185kg的機遇號（Opportunity）和勇氣號（Spirit）、以及899kg的好奇號。

重視宜居性和生命探測，著陸地點充滿機遇和挑戰

美國火星探測的科學戰略演化

經歷了半個世紀的探測，人類對于火星基本物理參數、空間與表面環境、地形地貌與地質結構、表面物質等方面都取得了一定的認知，已經從全球遙感探測向表面和巡視探測進行轉變，目標也從探測行星環境向尋找水過渡，進而轉變為尋找火星生命痕跡。2011年，NASA宣布美國的火星探測從“追蹤水的痕跡”正式轉變為“搜尋生命信號”。2011年“火星科學實驗室”（MSL）之后任務的科學戰略目標主要是“尋找生命信號”、“探測適居性”和“為載人探測做準備”。“火星2020”的任務目標完全對應于上述科學戰略目標，除保存樣品之外，主要是探測火星宜居性、尋找生命痕跡以及為未來載人火星任務做準備。

為完成科學目標，“火星2020”攜帶的毅力號火星車的著陸地點為杰澤羅環形山，該地區經歷了濕潤、干涸、再濕潤、再干涸的變化過程。約35億年以前，有河道水流經過該環形山壁，形成一個湖泊，河水攜帶附近區域的黏土礦物質進入環形山，但之后該湖泊逐漸干涸。在該地區的“濕潤”時期，可能曾出現過微生物。因此毅力號有可能在河床中尋找到相關證據。此外，毅力號還將為火星地質學和氣候研究提供重要數據。

杰澤羅環形山是尋找古代微生物生命跡象的理想場所，但由于該地區地勢不平坦，存在著陡峭的懸崖、沙子、巨石和撞擊坑，對于著陸精度提出了更高的要求。

第二次采用“空中吊車”，引入新技術提高著陸精度

傳統的火星減速方式都采用了大氣制動、降落傘和制動發動機相結合的方式，而質量較大的好奇號和毅力號采用了“空中吊車”技術。“空中吊車”相比于背負火星車的著陸器而言，不需要緩沖機構、火星車駛離著陸器的系統等，對于結構強度要求也低，因此可以有效降低著陸系統的質量，提高火星車質量在整個探測器系統的比重；“空中吊車”還可以持續工作到火星車著陸，避免發動機對火星表面的影響，減小最終著陸的速度并提高著陸精度；同時，“空中吊車”與火星車的組合體重心較低，更加穩定，不容易發生側翻，同時對于地形要求也低，可以提高著陸的安全性。

由于毅力號的著陸地點—杰澤羅環形山布滿陡峭的懸崖、沙子、巨石和撞擊坑，對著陸精度有著更高的要求，因此NASA在利用好奇號成熟著陸技術的基礎上，進行了一系列二次創新，包括“距離觸發器”和“地形相對導航”，有效提高了著陸精度。“距離觸發器”技術是一項設置降落傘展開時刻的技術，即選擇合適的時刻啟動釋放降落傘的“觸發器”，從而將著陸橢圓的范圍減小50%，達到約10km。“地形相對導航”技術通過“拍攝降落圖像、對比星載地圖、及時避障”等步驟，精確操控著陸最后階段，可使著陸器具有“眼睛和地圖”的功能。

采集并存儲火星樣品，驗證多項新型探測技術

下降過程中的毅力號火星車

機智號直升機

毅力號是首個攜帶樣品存儲系統登陸火星表面的探測器，將首次鉆取并存儲用于采樣返回任務的巖石核心樣品，計劃采集至少30份樣品。與好奇號鉆取打磨巖石不同，毅力號將巖石芯切斷為粉筆大小，并放置在樣品管中存儲起來，等待未來的取樣車將樣品帶走，這將為未來火星采樣返回任務邁出第一步。同時，毅力號攜帶的機智號將成為世界首架在火星大氣中飛行的直升機，以及首架在地外星體表面進行受控飛行的飛行器。一旦該直升機此次任務取得成功，則可以將該技術應用到未來的深空探測任務中，以完成拍攝分辨率更高的圖像、進行地形勘測、向其他探測地點運送有效載荷等任務，極大提高探測的效率和科學回報。毅力號的著陸還將為NASA的洞察號（Insight）任務提供幫助，其著陸產生的地震信號，可能被洞察號探測到，這也將是首次利用一個探測器“傾聽”另一個探測器著陸在地外天體上。

3 小結

作為NASA最新的旗艦級火星探測任務，“火星2020”代表了美國最高的技術水平，其著陸采用的多項新型技術以及后續試驗的火星直升機和火星大氣制氧技術，都將為未來無人或載人火星探測奠定基礎，是當前需要重點關注的技術。“火星2020”邁出了美歐火星采樣返回計劃的第一步，NASA和歐洲航天局（ESA）正積極推動后續任務發展，火星采樣返回可能成為主要航天大國新的競爭焦點。

毅力號傳回的首張彩色火星表面照片