火星探測漫遊者

<image>

火星探測漫遊者（Mars Exploration Rover，縮寫：MER）是美國國家航空航天局的2003年火星探測計劃。這項計劃的主要目的是將勇氣號（Spirit, MER-A）和機遇號（Opportunity, MER-B）兩輛火星車送往火星，對火星這顆紅色行星進行實地考察。火星探測漫遊者任務開始於2003年。

任務目標是在岩石和土壤中搜尋水活動的線索。本項目是NASA火星探索項目的一部分，還包括了已經成功的1976年海盜號著陸器和1997年的火星探路者探測器。本項目原預算8.2億美元，由於火星車工作時間遠超過原計劃的90天火星日，任務再度延伸5次，第五次任務擴展於2007年10月批准，結束於2009年。前4次延伸任務預算1.04億美元，第五次延伸任務預算2千萬美元。2007年7月的第四次擴充任務中，火星塵暴威脅到火星車太陽能電池接受日照的能力，工程師們認為2個火星車可能就此永久失效，但塵暴消散後火星車又恢復了功能。後來任務又多次延伸，機遇號一直堅持工作到2019年才結束其任務。

2架火星車獲得了大量科學資訊，為此，2個小行星被命名為：37452勇氣和39382機遇。本任務的太空飛行器由噴氣推進實驗室設計、建造和操作。

## 目標

MER的科學考察任務：

<image>

- 搜索和辨識岩石土壤中的水活動跡象，從而分析水導致的礦化過程，如降水、大氣中的水蒸汽、沉積岩或熱液活動。
- 探測著陸區周圍的礦物分布。
- 探測形成當地地貌和化學成分的地質活動，類似的過程可能包括水或風侵蝕、沉積、熱液活動、火山活動以及隕石撞擊。
- 校準確認火星勘測軌道器的地表觀測結果。從而確認火星軌道觀測的精度和有效性。
- 搜尋含鐵礦物，確認並定量分析含水或水形成礦物，如含鐵碳酸鹽。
- 通過岩石土壤的礦物學分析和紋理測定其成因。
- 尋找液態水存在時期的環境因素導致的地質學線索。
- 評估火星環境能否支持生命的存在。

近20年，NASA開展了幾個任務搜尋火星生命，搜尋從檢測火星環境是否適合生命存在開始。人們所理解的生命形式需要水，所以火星歷史上是否有水存在至關重要。雖然火星探測漫遊者沒有能力直接檢測生命存在與否，但它可以提供火星歷史上適居性的重要資訊。

## 歷史

<image>

<image>

2004年1月21日，深空網絡與勇氣號失去聯繫。開始時以為是澳大利亞的雷暴氣候所致。勇氣號曾發出過一條不包含數據的消息。這天晚些時候勇氣號又未按計劃與與火星全球勘探者號軌道器通訊。第二天，噴氣推進實驗室收到勇氣號的信號，指出它正處於『安全模式』。1月23日，飛行控制小組成功的讓火星車發出信號，發現問題是由火星車的快閃記憶體系統出錯所致。接下來的10天裡，火星車沒有執行任何科學任務，工程師們上傳並測試了軟體。經過格式化快閃記憶體和用軟體升級補丁避免記憶體過載，問題最終得到解決。機遇號同樣進行了升級。勇氣號於2月5日完全恢復科學功能。

3月23日，科學家們在記者招待會發布了火星表面過去曾存在液態水的證據。一塊位於機遇號著陸地子午線平原隕石坑邊緣的岩石上的分層圖案和交錯層理說明此坑區域曾經有水流過。氯和溴的不規律分布也說明此處曾是鹹水海的海岸線，但早已蒸發殆盡。

4月8日，NASA提出延長任務周期3到8個月。並立刻得到了至9月份的一千五百萬美元和每月二百八十萬美元的預算。月底，機遇號以5天時間行駛200 米到達「奮進隕石坑」。NASA於9月22日提出再次延長火星車任務6個月。機遇號離開持久隕坑去觀察它拋棄的熱護盾，並前往維多利亞隕坑。勇氣號則試圖登上哥倫比亞山頂。

由於兩架火星車均工作正常，NASA又提出到2006年9月的持續18個月的延伸任務。機遇號前往「風化地帶」，勇氣號開始攀登「赫斯本德山」。2005年8月21日，勇氣號到達赫斯本德山頂，本旅程共計581火星日，行駛了4.81千米。

2005年11月20日，勇氣號迎來了它到達火星的周年慶典（669火星日，即687地球日），機遇號的周年慶是2005年12月12日。本來，計劃認為火星車無法持續工作超過90火星日，按火星車駕駛員Chris Leger的說法，哥倫比亞山只不過是個夢而已。

前往麥庫爾山期間，勇氣號的右前輪於2006年3月13日停止工作。駕駛員試圖把失效的輪子拖在後面，但只堅持到山坡下一處無法通行的沙地。駕駛員將勇氣號駛入一處「低山脊避風港」處過冬，等待春季太陽能水平增加到適合行駛的程度。9月，機遇號到達維多利亞坑邊緣。NASA延長任務至2007年9月。

2007年2月6日，機遇號成為首個在火星表面行駛10千米的太空飛行器。機遇號準備於2007年6月28日進入維多利亞坑，但被塵暴耽擱。2個月後，勇氣號和機遇號恢復行使，沙暴導致的日照水平降低幾乎使火星車永久失效。2007年10月1日，兩架火星車進入了截至2009年的第五次延長任務。這使得火星車已經持續5年探索火星表面。

2008年8月26日，機遇號開始趁電能充沛之際以3天時間爬出維多利亞隕坑，以免車輪像勇氣號一樣失效導致其不能離開隕石坑。機遇號將返回子午線平原探測多種多樣的岩石，其中一些可能是由形成維多利亞坑的隕石撞擊所噴射出來的。至2009年1月，兩個火星車已經發回250000幅圖像，旅行超過21千米。行駛3.2千米離開維多利亞隕坑後，機遇號於2009年3月7日『看見』奮進隕坑的外緣。在古謝伏隕坑，勇氣號深陷入火星沙中。勇氣號和機遇號分別於2010年1月3日和24日迎來了到達火星六年慶。1月26日，在將勇氣號弄出沙地的嘗試失敗後，NASA宣布勇氣號將用於靜態研究平台。NASA於2010年4月24日宣布，機遇號正前往奮進隕坑，自任務開始它已經旅行20千米。每個火星車的設計里程只有600米。一周後，NASA宣布勇氣號將在冬季進入休眠。它可能無法再次喚醒。

## 太空飛行器設計

<image>

<image>

火星探測漫遊者由德爾塔II運載火箭發射，每個太空飛行器包含下列部分:

- 火星車，185千克
- 著陸器，348千克
- 背殼/降落傘，209千克
- 熱護盾，78千克
- 巡航級，193千克
- 推進劑，50千克
- 儀器，50千克

太空飛行器全重1063千克。

### 巡航級

<image>

巡航級用於從地球飛往火星。它同火星探路者的設計非常接近。包括載入飛行器大約2.65米直徑，1.6米高。

主構架由鋁製成，外環覆蓋著太陽能電池板。太陽能電池陣列在地球附近能提供600瓦特電力，在火星提供300瓦特。

巡航級靠多層絕緣材料和加熱器為電子設備保溫，氯氟烴冷卻系統為火星車內的飛行電腦和通信硬體提供冷卻以免過熱。巡航航空電子設備連接飛行電腦和其他儀器，如太陽傳感器、尋星器和加熱裝置。

### 導航

恆星掃描器（帶有備份系統）和太陽傳感器使太空飛行器可以通過分析太陽與其他恆星確定空間位置。太空飛行器在5億千米的旅程中可能偏離方向，因此共計劃6次軌道修正和健康程度檢測。為確保太空飛行器到達火星上正確的著陸位置，2個輕質鋁燃料箱攜帶了31千克聯氨推進劑。巡航導航控制系統通過連續點火和脈衝點火進行三種機動，以確保太空飛行器方向正確：

- 一對推進器進行軸向噴射改變太空飛行器速度。
- 使用2組側向「集束推進器」（每組包含4個推進器）進行秒長度的脈衝噴射控制偏航。
- 使用成對推進器進行脈衝點火控制進動（轉向）。

### 通訊

MER太空飛行器使用高頻X波段無線電通訊。相對於S波段，X波段可使用小型天線，耗能也較低。導航信號通過低增益天線和中增益天線傳送，二者分別安裝於巡航級主構架的內環和外環。全向的低增益天線在地球附近使用，到達火星時轉用波束較窄的中增益天線。巡航期間，太空飛行器進行自旋穩定，轉速為2RPM。天線和太陽能電池陣周期性的指向地球和太陽。

### 整流罩

<image>

整流罩在飛行期間保護著陸器，並於著陸器一起構成「再入飛行器」。整流罩的主要用途是隔離進入大氣層時的氣動加熱，從而保護著陸器。MER的整流罩基於火星探路者和海盜號的設計。整流罩部分由洛克希德馬丁建造。製造材料為石墨纖維樹脂複合材料表層包覆的鋁製蜂窩結構。整流罩外側覆蓋了一層填充了燒蝕材料的苯酚蜂窩結構，用於再入階段的燒蝕散熱。燒蝕材料由軟木、粘合劑和小石英玻璃珠構成，這種材料於海盜號任務時發明，類似的技術也用於水星、雙子座和阿波羅載人航天任務。熱護盾和背殼使用同種材料製成，但熱護盾覆蓋有12.7毫米厚的燒蝕材料，背殼則油漆並覆蓋了鋁基PET（聚對苯二甲酸乙二酯）薄膜。再入飛行器進入大氣層後在大約1分鐘內由19000千米/小時減速至1600千米/小時，著陸器要承受6g過載。

部件組成

整流罩由熱護盾和背殼組成。熱護盾是褐色的平碟形體，它在再入階段保護著陸器，並起到氣動剎車的作用。背殼呈錐形，攜帶著降落傘和其他著陸時需要的儀器設備。

- 降落傘
- 電子設備、用於擊發爆炸螺栓、火箭發動機、射傘槍等火工裝置的電池。
- Litton LN-200慣性測量裝置(IMU)，用於監控開傘後背殼的姿態。
- 三具稱為RAD(Rocket Assisted Descent)的固體減速火箭發動機，每具火箭發動機提供約1千牛頓的推力。工作約4秒。
- 三具較小的稱為TIRS的固體火箭發動機，在RAD工作期間提供小水平推力確保背殼保持垂直。

### 降落傘

<image>

降落傘基於海盜號和火星探路者的設計，本任務所用的降落傘比火星探路者的降落傘大了40%。降落傘由聚酯和尼龍製成，傘繩由凱夫拉製造。

降落傘在距火星表面10千米高度釋放，熱護盾由6套爆炸螺栓和分離彈簧拋棄。然後著陸器從背殼上分離，懸掛在20米長的Zylon材料繩索下。由於火星大氣密度僅有地球大氣的1%，只靠降落傘無法使著陸器安全落地，RAD火箭發動機點火作最終制動，使太空飛行器懸停在距地表10-15米高度上。安裝在著陸器上的雷達高度計控制RAD點火，然後切斷掛索釋放著陸器。雷達數據也用於啟動氣囊充氣。

### 氣囊

<image>

MER氣囊與火星探路者所用的是同一類型。氣囊具有足夠的強度避免石塊戳刺或彈跳時破損。氣囊在接觸地面前充氣，安全停止在地表後排氣。氣囊以維克特綸製成，強度幾乎比凱夫拉等合成材料高兩倍。而且低溫性能更好。

氣囊共4組，每組4個子袋。所有氣囊連接在一起，以便吸收著陸時候的衝擊和保持彈性。氣囊沒有直接固定在著陸器上，而是用繩索穿插捆綁。繩子可以為氣囊塑形，也使充氣更加容易。氣囊靠三個氣體發生器充氣。

### 著陸器

<image>

著陸器作為容器包裝火星車和氣囊裝置，使之免遭衝擊。著陸器呈四面體形，其側面可以像花瓣一樣展開。著陸器由石墨纖維管和鈦板製成。火星車用螺栓固定在著陸器里。著陸後火星車通過爆炸栓釋放。

## 火星車設計

<image>

MER火星車是六輪，太陽能動力的機器人。火星車高1.5米，寬2.3米，長1.6米。重180千克。每個輪子和懸掛系統可承重35千克。

### 動力系統

MER火星車有六個輪子，懸掛系統採用搖臂式。這種設計使火星車駛過不平坦的地面時每個輪子都能保持在地面上。MER每個輪胎都有自己的馬達，前輪和後輪各有獨立的轉向馬達。火星車可以啟動一隻前輪挖掘土壤。火星車的最高速度為50毫米/秒。平均速度10毫米/秒。每行駛10秒，防護軟體會停車20秒觀察駛過的地形。

### 電力電子系統

<image>

如果照明良好，每火星天至少4小時時間裡，火星車的多結光伏電池陣列可以產生140瓦特電力。火星車需要100瓦特電力行駛。電力系統有2個重7.15千克的可充電鋰離子電池，用來在夜間或者無日照時提供電力。火星車運作一段時間後，電池將無法完全充電。未來的火星科學實驗室將使用波音生產的多任務放射性同位素熱電偶發電機（MMRTG）提供動力。

按原計劃，由於塵土覆蓋，90火星天后太陽能電池板產生的電力將減少至50瓦特。但實際上經過3個地球年後，火星車每天仍可獲得300瓦特小時至900瓦特小時的動力。原因是「清潔事件」（沙塵被風吹走）發生頻率遠高於NASA的預計。2007年火星全球沙暴時，兩輛火星車均遭遇了動力短缺。機遇號僅可獲得128瓦特小時的能量。2008年11月，勇氣號的電力更跌落至89瓦特小時。

MER火星車的電腦使用輻射強化的20MHz主頻的RAD6000CPU，記憶體系統為128MB容量帶有錯誤校驗的動態存儲器和3MB容量電擦除可重寫式只讀存儲器以及256MB快閃記憶體，運行VxWorks實時作業系統。

MER火星車的儀器設備必須保持在-40攝氏度至40攝氏度的環境溫度中。夜間，火星車使用8個放射性同位素加熱元件加熱，每個加熱元件依靠放射性元素衰變可持續產生1瓦特熱能。必要時也可以使用電加熱裝置。保溫絕緣裝置由黃金鍍層和矽氣凝膠層構成。

### 通訊系統

MER火星車擁有一個低增益天線和一個高增益天線。低增益天線可以全向收發，以低數據傳輸率向地球上的深空網絡天線發送資訊。高增益天線具有指向性，可以調整方向，以較高的數據傳輸率向地球傳送資訊。火星車也使用低增益天線同火星軌道器（如2001火星奧德賽號和火星全球探勘者號）通訊。這些軌道器可以在火星車和地球之間中繼通訊。大多數中繼通訊經由奧德賽號。火星軌道器使用UHF天線同火星車通訊。UHF天線通訊距離要短於低增益和高增益天線。火星車和著陸器的花瓣結構上各裝有一個UHF天線，在著陸的關鍵時刻可以增加資訊量。

火星車總共有9台相機，拍攝生成1024$\times$1024像素解析度，12位採樣每像素的圖像。大多數導航相機拍攝的圖像和圖標降採樣至8位每像素以節約記憶體和傳輸時間。存儲和發送前，所有圖像數據以ICER壓縮。導航圖像、圖標壓縮到大約每像素僅占0.8到1.1位。低位率（低於0.5位/像素）用於多色全景相機的特定波長。

ICER基於小波變換，特別為深空探測任務設計。可以進行無損或有損的逐級壓縮。配合錯誤抑制機制，可限制深空傳輸的數據損失。ICER的性能要高於火星探路者應用的有損JPEG壓縮和無損Rice壓縮。

### 科學儀器

<image>

<image>

<image>

火星車載有多種儀器，其中三種安裝為一個組件：

- 全景相機（Pancam），用於探測紋理、顏色、礦物學和地形地貌。
- 導航相機（Navcam），具有較大的視野，但解析度較低，且為單色。用於導航和行駛。
- 用於小型熱輻射光譜儀（Mini-TES）的鏡子。用於近距離識別岩石土壤並檢測其形成過程。本儀器由亞利桑那州立大學製造。

這些相機安裝於高1.5米的全景相機桅杆組件上。桅杆在馬達驅動下可以水平旋轉一周。另一個馬達控制相機的垂直指向。第三個馬達控制Mini-TES的仰角，使之在水平以上30度至水平以下50度之間活動。

四個單色避險相機（Hazcams）安裝在火星車機體上，前後各2個。

儀器部署裝置（IDD），既機械臂上裝有下列設備：

- 穆斯堡爾譜儀(MB)，MIMOS II，由德國約翰內斯·谷登堡大學的Göstar Klingelhöfer博士研製。用於對含鐵岩石土壤進行近距離礦物學化驗。
- 阿爾法粒子X射線譜儀（APXS）,由德國馬克斯普朗克化學研究所研製。用於近距離分析構成岩石土壤的元素的豐度。
- 磁體，用於收集磁性塵屑微利。由哥本哈根玻爾研究所的Jens Martin Knudsen團隊研製。收集到的微粒由MB和APXS分析，以確定磁性粒子和非磁性粒子的比率以及空氣塵埃微粒和研磨產生的岩石微粒的成分。火星車的前部也裝有磁體，用於MB進行較廣泛的研究。
- 顯微成像儀（MI）,用於獲得岩石土壤的近距離高解析度圖像。由美國地質勘探局天體地質學研究計劃的Ken Herkenhoff團隊研製。
- 岩石研磨工具（RAT）,由蜜蜂機器人航太機械公司研製，用於磨去岩石的風化表面，暴露內部物質供車載儀器研究。

機械臂可以將儀器直接放置在研究目標上。

## 命名

勇氣號和機遇號的命名來自學生徵文比賽，亞利桑那州三年級學生索菲·科里斯(Sofi Collis)贏得了比賽。

I used to live in an orphanage. It was dark and cold and lonely. At night, I looked up at the sparkly sky and felt better. I dreamed I could fly there. In America, I can make all my dreams come true. Thank you for the 'Spirit' and the 'Opportunity.'

— Sofi Collis, age 9

我曾經住在一個孤兒院中。它很冷、很黑，我很孤獨。晚上，我抬頭仰望滿天繁星，排解憂傷。我希望我能飛向那些星球。在美國，我可以讓所有我的夢成真。感謝你給我的 「勇氣」與 「機遇」。

——索菲·科里斯，９歲

在此之前，研製中的火星車被稱為MER-1(機遇號)和MER-2（勇氣號）。按照登陸火星的順序，NASA也使用任務代號MER-A(勇氣號)和MER-B(機遇號)。

## 測試用火星車

噴氣推進實驗室維護了2輛火星車用於測試和模擬火星上的狀況。其中一輛重約180千克，裝有與勇氣號和機遇號一致的全套儀器。另一輛具有一樣的大小和行駛特性，但沒有安裝科研儀器，它質量約80千克，很類似於火星車在火星的重力情況。2009年，勇氣號陷入沙坑事件用到了這些測試火星車。

## 參考資料

- Portions of this article are adopted from NASA/JPL MER article .
- Additional information was adapted from the MER homepage