“毅力號(hào)”火星車(chē)探測(cè)器詳解
質(zhì)量：大約 2260 磅（1025 公斤）
尺寸：長(zhǎng)約 10 英尺（不包括機(jī)械臂），寬 9 英尺，高 7 英尺（長(zhǎng) 3 米，寬 2.7 米，高 2.2 米），機(jī)械臂長(zhǎng)約 7 英尺（2.1 米）
載荷：130 磅（59 公斤），包括 7 臺(tái)儀器：Mastcam-Z、火星環(huán)境動(dòng)力學(xué)分析儀（MEDA）、火星氧氣原位實(shí)驗(yàn)資源利用率（MOXIE）、行星 X 射線(xiàn)儀（PIXL）、火星地下實(shí)驗(yàn)雷達(dá)成像儀（RIMFAX）、掃描可居住環(huán)境的曼光譜儀（SHERLOC）和超級(jí)相機(jī)
樣本采集系統(tǒng)：用于樣本采集和表面分析的鉆頭，1 個(gè) 1.6 英尺(0.5 米長(zhǎng))長(zhǎng)的內(nèi)部樣本處理臂和 43 個(gè)樣本采集管
麥克風(fēng)：1 個(gè)攝像頭在超級(jí)攝像機(jī)上，1 個(gè)在月球車(chē)側(cè)面，攝像用于公眾觀看，以及為隨后的火星進(jìn)入、下降和著陸提供分析資料
此外還有由美國(guó)能源部提供的多任務(wù)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)（MMRTG），利用钚-238 的自然衰變產(chǎn)生約 110 瓦的穩(wěn)定電流。當(dāng)需求暫時(shí)超過(guò) MMRTG 的電力輸出水平時(shí)，兩種鋰離子可充電電池可以滿(mǎn)足火星車(chē)的峰值需求。
“首創(chuàng)號(hào)”火星直升機(jī)詳解
質(zhì)量: 4.0 磅(1.8 公斤)
高度: 1.6 英尺(0.49 米)
轉(zhuǎn)子系統(tǒng)：兩條反向旋轉(zhuǎn)的葉片，直徑 4 英尺(1.2 米)，轉(zhuǎn)速大約在 2400 rpm
機(jī)身尺寸: 0.446 英尺、0.64 英尺、0.535 英尺(13.6 厘米，19.5 厘米,16.3 厘米)；四條支撐架，每條支撐架約 1.26 英尺(0.384 米)長(zhǎng)，使直升機(jī)在地面上有0.427 英尺(0.13 米)的凈空距離。
相機(jī)系統(tǒng)詳解
“毅力號(hào)”將攜帶 25 臺(tái)相機(jī)前往火星，這是深空探索史上最大規(guī)模的一次。
火星車(chē)上共 19 臺(tái)攝像頭：9 臺(tái)工程用(彩色)攝像機(jī)；3 個(gè)用來(lái)輔助火星車(chē)的進(jìn)場(chǎng)、下降、著陸(其中，1 個(gè)是黑白攝像頭，用于地形相對(duì)導(dǎo)航，2 個(gè)是彩色攝像頭，用于進(jìn)場(chǎng)下降著陸，公眾視頻傳播，以及工程改造)；2 個(gè)全景攝像機(jī)(支持彩色和放大)；1個(gè)超級(jí)相機(jī)(彩色)；2 個(gè)拉曼和熒光光譜儀；1 個(gè)行星 X 射線(xiàn)儀(黑白，有一些彩色功能)；1 個(gè)火星環(huán)境動(dòng)力學(xué)分析儀(黑白)
背面 3 個(gè)攝像頭：彩色，用于抬頭捕捉降落傘畫(huà)面
降落臺(tái)上有一個(gè)攝像頭：彩色，從上面俯瞰月球車(chē)
2 臺(tái)獨(dú)創(chuàng)性相機(jī)：1 個(gè)彩色斜視地形圖像和 1 個(gè)黑白導(dǎo)航
運(yùn)載火箭的關(guān)鍵活動(dòng)，事件時(shí)間取決于啟動(dòng)日期和時(shí)間
1. “毅力號(hào)”之毅力精神
事實(shí)上，毅力號(hào)相關(guān)的概念研究和早期技術(shù)工作早在 10 年前就開(kāi)始了。
登陸另一顆行星、尋找古代生命的跡象、收集樣本，每一項(xiàng)任務(wù)都將非常困難。這些挑戰(zhàn)正是美國(guó)宇航局在“為火星車(chē)命名”競(jìng)賽中從 28000 個(gè)候選名字中選擇“毅力”這個(gè)名字的原因。特別是在冠狀病毒大流行期間，啟動(dòng)前的幾個(gè)月需要?jiǎng)?chuàng)造性地解決團(tuán)隊(duì)合作問(wèn)題。
正如弗吉尼亞州伯克布拉多克湖中學(xué)(Lake Braddock Secondary School)的亞歷克斯馬瑟(Alex Mather)在獲獎(jiǎng)文章中所寫(xiě)的那樣，“我們是一種探索者，在通往火星的路上，我們將遭遇許多挫折。然而，我們可以堅(jiān)持下去。我們，不是作為一個(gè)國(guó)家，而是作為人類(lèi)，不會(huì)放棄?！?br>
2. 建立在前浪們的經(jīng)驗(yàn)之上
美國(guó)宇航局在火星上的第一個(gè)探測(cè)車(chē)叫索杰納，只有一個(gè)微波爐大小。1997 年索杰納號(hào)火星車(chē)進(jìn)行了人類(lèi)歷史上第一次在火星表面和地球系統(tǒng)以外的巡視探測(cè)。
之后的火星探測(cè)車(chē)，勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)，都是高爾夫球車(chē)的大小，在 2004 年著陸后，他們發(fā)現(xiàn)了火星在變成冰凍沙漠之前曾有水存在的證據(jù)。
和汽車(chē)差不多大小的好奇號(hào)探測(cè)器于 2012 年登錄火星。好奇號(hào)發(fā)現(xiàn)，它的著陸點(diǎn)蓋爾隕石坑(Gale Crater)在數(shù)十億年前曾是一個(gè)湖泊，那里的環(huán)境可能曾支持過(guò)微生物生命。
所以，毅力號(hào)的目標(biāo)就是邁出下一步，尋求回答天體生物學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：火星上是否有過(guò)去微生物生命的潛在跡象，或生命特征?
3.將在極有可能發(fā)現(xiàn)生命存在跡象的地方著陸
杰洛隕石坑是一個(gè) 28 英里寬(45 公里寬)的隕石坑，位于 Isidis Planitia 的西部邊緣，火星赤道以北，是一個(gè)巨大的撞擊盆地。而科學(xué)家推測(cè)，在遙遠(yuǎn)的過(guò)去，這個(gè)隕石坑可能是一個(gè)綠洲。
在 30 億到 40 億年前，那里有一條河流流入一個(gè)像太浩湖那么大的水體，沉積著富含碳酸鹽礦物和粘土的沉積物?！耙懔μ?hào)”科研小組認(rèn)為，這個(gè)古老的河流三角洲可能積聚并保存了有機(jī)分子和其他潛在的微生物生命跡象。
4. 收集關(guān)于火星地質(zhì)和氣候的重要數(shù)據(jù)
火星軌道飛行器一直在杰洛隕石坑上方約 200 英里(322 公里)處收集圖像和數(shù)據(jù)，但要想在火星表面找到古代生命的跡象，還需要更近距離的觀察。
所以就需要流浪者般的毅力，前往了解火星過(guò)去的氣候條件，解讀火星巖石中埋藏的地質(zhì)歷史。這一任務(wù)將使科學(xué)家對(duì)火星在遙遠(yuǎn)的過(guò)去是什么樣子有更豐富的了解，研究這顆紅色星球的地質(zhì)和氣候，也能讓我們了解為什么地球和火星——它們由相同的原始物質(zhì)形成——最終卻會(huì)如此不同。
5. 往返火星之旅的第一步
對(duì)火星上遠(yuǎn)古生命的驗(yàn)證需要大量的證據(jù)。而“毅力號(hào)”是第一個(gè)將樣本儲(chǔ)存系統(tǒng)帶到火星的漫游者，該系統(tǒng)將為未來(lái)的任務(wù)帶回有希望的樣本。
與“好奇號(hào)”鉆頭所做的不同，“毅力號(hào)”的鉆頭將切割出一塊粉筆大小的完整巖心，并將它們放入樣管中。美國(guó)宇航局和歐洲航天局正在計(jì)劃一項(xiàng)火星樣本返回任務(wù)，在地球上檢測(cè)這些樣本將會(huì)提供更多關(guān)于它們的信息。
6. 為未來(lái)人類(lèi)的月球和火星任務(wù)指明前路
在火星 2020“毅力號(hào)”任務(wù)中，將有利于人類(lèi)探索的未來(lái)技術(shù)，包括火星車(chē)的地形相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)。作為著陸系統(tǒng)的一部分，地形相對(duì)導(dǎo)航是毅力能夠探索像杰洛隕石坑這樣有趣的地方的主要原因。
它將使漫游者能夠快速自主地了解其在火星表面的位置，并在下降過(guò)程中調(diào)整其軌跡。這項(xiàng)技術(shù)將能夠?yàn)闄C(jī)器人和宇航員登陸月球的任務(wù)提供寶貴的幫助，并且是未來(lái)機(jī)器人和宇航員探索火星的必要條件。
工程師們還為毅力號(hào)開(kāi)發(fā)了比其他任何火星車(chē)更強(qiáng)大的自動(dòng)駕駛智能，使它在一天的運(yùn)行中可以覆蓋更多的地面，而無(wú)需等待地球上的工程師發(fā)送指令。這種能力(得益于升級(jí)的傳感器、計(jì)算機(jī)和算法)將使其他航天器更有效地探索月球、火星和其他天體。
7. 每一個(gè)人的火星之旅
火星 2020“毅力號(hào)”任務(wù)攜帶的相機(jī)數(shù)量超過(guò)了歷史上任何一次星際任務(wù)?！耙懔μ?hào)”上有 19 個(gè)攝像頭，可以拍攝到令人驚嘆的細(xì)節(jié)。與之前的火星任務(wù)一樣，火星 2020“毅力號(hào)”任務(wù)計(jì)劃在其網(wǎng)站上提供原始和處理過(guò)的圖像。
本著公眾參與的精神，“毅力號(hào)”火星車(chē)還攜帶了一個(gè)電化鍍板，上面用莫爾斯電碼寫(xiě)著“Explore as one”，還有三個(gè)硅芯片，上面有大約 1090 萬(wàn)人的名字，他們報(bào)名參加了毅力號(hào)的火星之旅。
五、關(guān)于“首創(chuàng)號(hào)”直升機(jī)
萊特兄弟發(fā)明了第一個(gè)在我們的世界上實(shí)現(xiàn)動(dòng)力和控制飛行的飛行器，而“首創(chuàng)號(hào)”直升機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)期望他們的直升機(jī)將作為第一個(gè)在另一個(gè)世界飛行的飛行器。這款火星直升機(jī)只有 4 磅(1.8 公斤)重，但它單薄的身體卻承載著勃勃雄心。
1. 獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)性飛行測(cè)試
“首創(chuàng)號(hào)”是所謂的技術(shù)示范，一個(gè)試圖在有限范圍內(nèi)首次測(cè)試一種新能力的項(xiàng)目。
“首創(chuàng)號(hào)”特征主要表現(xiàn)在，四個(gè)特制的碳纖維螺旋槳排列成兩個(gè) 4 英尺(1.2 米長(zhǎng))反向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速大約 2400 轉(zhuǎn)——大約是標(biāo)準(zhǔn)的地球直升機(jī)轉(zhuǎn)速的8倍。
此外，在太陽(yáng)能電池、航空電子、傳感器、通信和算法方面擁有多項(xiàng)創(chuàng)新。但同時(shí)，它的許多其他部件都是商用的，比如來(lái)自智能手機(jī)領(lǐng)域的現(xiàn)成部件，包括兩個(gè)攝像頭、一個(gè)慣性測(cè)量單元(測(cè)量移動(dòng))、一個(gè)高度計(jì)(測(cè)量高度)、一個(gè)傾斜儀(測(cè)量?jī)A斜角度)和計(jì)算機(jī)處理器。
當(dāng)然，這架直升機(jī)不攜帶科學(xué)儀器，是與火星 2020 毅力號(hào)任務(wù)分離的飛行實(shí)驗(yàn)。
2. 第一架在另一個(gè)星球上飛行的飛機(jī)
火星的溫度已經(jīng)超越了刺骨的寒冷，杰洛隕石坑的夜晚冷到零下 130 華氏度(零下 90 攝氏度)。這樣的溫度將會(huì)達(dá)到現(xiàn)成零件的設(shè)計(jì)極限。在地球上進(jìn)行的溫度測(cè)試表明，它們應(yīng)該能按照設(shè)計(jì)工作，但該團(tuán)隊(duì)期待在火星上進(jìn)行真正的測(cè)試。“首創(chuàng)號(hào)”到達(dá)火星的第一個(gè)目標(biāo)就是第一次在火星寒冷的夜晚繼續(xù)正常工作。
火星的大氣稀薄，密度只有地球大氣的1%。由于火星大氣的密度要小得多，所以“首創(chuàng)號(hào)”被設(shè)計(jì)得很輕，它的旋翼葉片則要大得多，旋轉(zhuǎn)速度也比地球上的直升機(jī)要快得多。
不過(guò)，火星也給了直升機(jī)一點(diǎn)幫助：火星的重力只有地球的三分之一。這意味著在給定的自旋速率下，可以提升稍微多一點(diǎn)的質(zhì)量。
此外，延遲則是在星際間與航天器通信的固有挑戰(zhàn)，這意味著噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的飛行控制器將無(wú)法通過(guò)操縱桿控制直升機(jī)。因此，“首創(chuàng)號(hào)”必須自主飛行。飛行指令將提前發(fā)送，飛行的工程數(shù)據(jù)將在飛行完成后返回地球。
“首創(chuàng)號(hào)”將通過(guò)火星車(chē)進(jìn)行通信，然后火星車(chē)與軌道飛行器進(jìn)行通信，軌道飛行器又與地球進(jìn)行通信。
3. 高超的工程技術(shù)
人類(lèi)經(jīng)歷了很多嘗試和錯(cuò)誤才弄明白如何在地球上駕駛飛機(jī)或直升機(jī)。經(jīng)過(guò)五年多的小心翼翼的努力， “首創(chuàng)號(hào)”的工程師們終于能夠證明，制造出足夠輕的東西，且可以在火星稀薄的大氣層中產(chǎn)生足夠的升力，是可能的。
2014 年，他們利用噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)特殊空間模擬室首次展示了一架直升機(jī)可以在火星稀薄的大氣中起飛。2016 年，實(shí)現(xiàn)了以可控的方式飛行，并在 2018 年 1 月設(shè)計(jì)了一架具有火星所需全部功能的直升機(jī)測(cè)試模型。2019 年 1 月，該團(tuán)隊(duì)完成了直升機(jī)的試飛。
4.“首創(chuàng)號(hào)”的名字
來(lái)自阿拉巴馬州諾斯波特的 Vaneeza Rupani 最初為火星 2020 號(hào)火星車(chē)命名“首創(chuàng)號(hào)”，但美國(guó)宇航局官員認(rèn)為，考慮到團(tuán)隊(duì)在完成任務(wù)時(shí)所運(yùn)用的創(chuàng)造性思維，這個(gè)名字很適合直升機(jī)。
“努力克服星際旅行挑戰(zhàn)的人們的聰明才智，讓我們所有人都能體驗(yàn)到太空探索的奇跡?！盧upani 寫(xiě)道，“創(chuàng)造力是讓人們完成令人驚嘆的事情的東西?！?br>
魯帕尼還贊許了火星車(chē)和直升機(jī)在太空探索領(lǐng)域的共同努力：“這不僅僅是決心的產(chǎn)物，它們是人類(lèi)毅力和創(chuàng)造力的結(jié)合。”
5.成功的第一步
考慮到“首創(chuàng)號(hào)”需要完成的所有開(kāi)創(chuàng)式任務(wù)，該團(tuán)隊(duì)還有一長(zhǎng)串計(jì)劃需要實(shí)行，里程碑的時(shí)刻包括:
在卡納維拉爾角成功發(fā)射，巡航和著陸火星；
從“毅力號(hào)”火星車(chē)的引擎導(dǎo)流板安全降落到地面；
在火星極冷的夜晚自動(dòng)維持溫度；
用太陽(yáng)能板自動(dòng)充電；
最后，如果“首創(chuàng)號(hào)”的第一次飛行成功，直升機(jī)團(tuán)隊(duì)將在火星 30 天(地球 31 天)的時(shí)間內(nèi)再進(jìn)行 4 次試飛。
6. 未來(lái)的火星探索將向航空方向發(fā)展
“首創(chuàng)號(hào)”的目的是展示在火星大氣中飛行所需的技術(shù)。如果成功，這些技術(shù)可能會(huì)使其他先進(jìn)的機(jī)器人飛行器成為可能，這些飛行器可能會(huì)被包括在未來(lái)的機(jī)器人和人類(lèi)火星任務(wù)中。
未來(lái)直升機(jī)在火星上的可能用途包括: 提供一種獨(dú)特的視角，這是我們目前高空的軌道飛行器或地面上的火星車(chē)和著陸器無(wú)法提供的; 為機(jī)器人或人類(lèi)提供高清圖像和偵察; 以及進(jìn)入火星車(chē)難以到達(dá)的地區(qū)。
而且未來(lái)的直升機(jī)甚至可以幫助將輕型但至關(guān)重要的有效載荷從一個(gè)地點(diǎn)運(yùn)送到另一個(gè)地點(diǎn)。
六、毅力號(hào)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)
毅力號(hào)比 NASA 的前四輛火星車(chē)都具有更大自主性，其設(shè)計(jì)被 NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人系統(tǒng)工程師 Philip Twu 稱(chēng)為“火星自動(dòng)駕駛汽車(chē)”。
與地球上的人一樣，毅力號(hào)使用一系列將數(shù)據(jù)反饋給機(jī)器視覺(jué)算法的傳感器進(jìn)行導(dǎo)航。從 1997 年開(kāi)始，即使陸地自動(dòng)駕駛汽車(chē)配備了最好的計(jì)算機(jī)，其主要計(jì)算機(jī)的速度與高端個(gè)人電腦仍差不多。毅力號(hào)的狹小大腦能夠處理所有的自動(dòng)駕駛，是因?yàn)?NASA 安裝了第二臺(tái)計(jì)算機(jī)，其作用類(lèi)似于機(jī)器人驅(qū)動(dòng)程序。
毅力號(hào)的新型數(shù)字眼鏡能更快地自主導(dǎo)航周?chē)h(huán)境，因此有更多時(shí)間專(zhuān)注于主要科學(xué)目標(biāo)。但毅力號(hào)仍需要一整天時(shí)間才能達(dá)到樹(shù)懶在一小時(shí)內(nèi)可以覆蓋的相同距離。所有火星漫游車(chē)一天中的最長(zhǎng)行駛距離為 219 米，毅力號(hào)每天可以行駛 200 米左右，因此平均而言，毅力號(hào)已達(dá)到或超越此前的火星漫游車(chē)行駛記錄。
由于火星沒(méi)有磁場(chǎng)與濃厚的大氣層，無(wú)法屏蔽來(lái)自太陽(yáng)帶電粒子的侵蝕，這些粒子會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)上造成嚴(yán)重破壞。它們會(huì)導(dǎo)致晶體管在不應(yīng)有的情況下導(dǎo)通或關(guān)斷，并且如果累積足夠多的這些錯(cuò)誤，將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)崩潰，甚至丟失寶貴的數(shù)據(jù)造成整個(gè)任務(wù)失敗。因此NASA工程師會(huì)盡一切努力防止事故發(fā)生。
目前有很多技術(shù)可以使計(jì)算機(jī)不受輻射干擾。例如，可以添加其他難以導(dǎo)通和關(guān)斷的晶體管。賽靈思公司（Xilinx）的空間系統(tǒng)架構(gòu)師 Minal Sawant 為毅力號(hào)設(shè)計(jì)并制造了機(jī)器視覺(jué)芯片。根據(jù)賽靈思公司進(jìn)行的資格測(cè)試，該芯片每年不發(fā)生超過(guò)兩次的翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，即離子導(dǎo)致存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的信息量從一變?yōu)榱恪?br>
但保護(hù)處理器免受輻射會(huì)損害其性能。這與處理器的設(shè)計(jì)有關(guān)，也與測(cè)試組件的抗輻射能力花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間相關(guān)。
Matthies 說(shuō)：“即使硬件是完美的，算法也總是會(huì)犯錯(cuò)誤。在計(jì)算機(jī)視覺(jué)中，存在離群值導(dǎo)致算法出錯(cuò)。因此，我們必須壓倒這種可能性?！彪x群值可能包括漫游車(chē)看不到物體或?qū)⑵湔`認(rèn)為其他物體的情況。解決此問(wèn)題的一種方法是從其他傳感器獲取漫游車(chē)的導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)，讓它不僅僅依靠視線(xiàn)來(lái)繞行。例如，陀螺儀和加速度計(jì)就可以幫助漫游車(chē)了解火星表面的坡度和粗糙度。
Twu 說(shuō)：“系統(tǒng)越復(fù)雜，可以做出的決策類(lèi)型就越多。這需要確保已經(jīng)涵蓋了漫游車(chē)可能遇到的所有可能情況，通過(guò)進(jìn)行多次實(shí)際動(dòng)手測(cè)試能發(fā)現(xiàn)算法中的不足之處。”
在巨大沙箱中排列巨石的方法有很多種。毅力號(hào)導(dǎo)航算法的大多數(shù)測(cè)試都在虛擬仿真中進(jìn)行。通過(guò)在軟件上投放所有可能場(chǎng)景，了解其在不同情況下的性能。雖然場(chǎng)景周?chē)蠖嗳允腔旌希ㄌ摂M）巖石，但可以建模的景觀類(lèi)型和場(chǎng)景并沒(méi)有真正限制。Twu 稱(chēng)，對(duì)視覺(jué)算法進(jìn)行全面測(cè)試，加上漫游車(chē)引入的所有傳感器數(shù)據(jù)，將使毅力號(hào)比其他任何火星漫游車(chē)更自如地在困難地形上導(dǎo)航。
即使是最完美的模擬，與真實(shí)物體相比也顯得較為蒼白。明年2月，毅力號(hào)降落在火星上時(shí)，將接受更嚴(yán)格的測(cè)試。
如果一切順利，它所描繪的路徑將引導(dǎo)我們找到地球以外生命存在的證據(jù)。
北京時(shí)間 7 月 30 日下午 7 點(diǎn)半，作為繼天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)任務(wù)發(fā)射之后的 2020 火星年重磅大戲，我們拭目以待。
直播地址：https://www.youtube.com/nasa
毅力號(hào)，奧利給！
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