毅力号：带着钻机去火星打洞

2020-08-18李晨风宁艳

太空探索 2020年8期

文/ 李晨风宁艳

“火星2020”总装测试现场

7月30日，美国火星2020 探测器发射升空。它携带一台名为“毅力”的漫游车，开始火星采样返回任务的第一阶段。

“火星2020”任务主要目的和被推迟的欧洲火星生命计划一样，专注寻找可能的火星生命。它不仅是为了寻找火星宜居条件的迹象，而且还要寻找过去曾经存在的微生物迹象。因此，“火星2020”的毅力号漫游车上装备了一台钻探机，可以采集最有希望找到证据的岩石和土壤样本，并将它们放在车内的“储藏室”中，等待未来任务把这些样本送回地球。然后，科学家们可以在实验室里用大型设备来研究这些样本——这些设备太大，无法发射到火星上。这次任务还打算试验一些未来航天员常驻火星需要用到的技术，包括测试如何从火星大气中产生氧气、寻找其他资源（如地下水）、改进着陆技术、探测可能影响人类生活的环境条件。

“火星2020”的设计基于正在火星运行的“火星科学实验室”任务架构，包括其好奇号漫游车及其着陆系统。

降落办法有继承也有创新

美国已经实施了多次探测火星任务，因此从地球起飞、奔向火星到火星捕获的整个过程基本上不会有悬念。“火星2020”任务能否成功首先取决于能不能顺利着陆。美国宇航局将它归纳为进入、下降和着陆过程（EDL）。“火星2020”的着陆方案和好奇号火星车一样，包括降落伞、下降飞行器和一种被称为“天空起重机”的方法。在着陆前的最后几秒钟，用一个火箭反推悬浮的天车，把火星车吊挂着放到地面上。这种着陆系统的发明，让人们可以在火星表面着陆一个非常大、非常重的探测器。当然，“火星2020”也不是完全沿用“好奇号”的着陆技术，而是采用了一些新的技术，可以达到更高的导航精度和更丰富的数据回传。

过去几十年的星际探测史告诉我们，在火星上着陆是很困难的，目前只有美国成功实现了火星软着陆。更难的是，能够在接近主要考察目标的地方着陆。此前火星漫游车都只能降落在目标研究区域的一段距离之外。这点距离在地球上不算什么，但对于漫游车来说，要花费宝贵的几周甚至几个月时间来跋涉。

“距离触发”技术

为此，“火星2020”任务小组打算采用新的方法，让“毅力号”降落到尽量接近目标区域的位置。这项技术称为“距离触发”，可以把椭圆形预定着陆区的尺寸减小50%以上。采用这项技术之后，如果研究人员选定了一些价值很高、平地面积却很小的目标区，也能成功降落下去。

“距离触发”技术的关键，是选择合适的时机来释放下降飞行器的降落伞。早期的任务中，探测器会在火星大气中摩擦减速，达到预期速度后尽早开伞。“火星2020”则不然，它要根据探测器相对于预定着陆位置的距离开伞。如果飞船有可能错过目标区，就要提前开伞；如果可能无法抵达目标区，就要错后开伞。

根据推算，距离触发技术可以让“毅力号”的降落位置比旧的技术更靠近目标区，让“毅力号”的“上班”路近上几公里。考虑到火星车的缓慢速度，这意味着它可以提前一年开展工作，意义是相当明显的。距离触发技术如果在“火星2020”上取得成功，还能用于未来的样本返回任务。前来取样本的着陆器能够降落在更接近样本存放地点的地方，尽早拿到样本返回地球。

地形相对导航技术

地形相对导航技术和嫦娥四号所采用的降落导航技术有相似的地方。“毅力号”特别适合于地形复杂、有陡坡和大块岩石、比较危险的地方。

它的工作原理很容易解释：首先是绕着火星飞行的探测器拍摄和绘制了着陆地点的地图，把可能的风险都标注出来。这张地图会存储在“毅力号”的电脑里。开伞以后，“毅力号”会打开相机拍摄火星地面情况，把实际看到的地表与存储的地图相对比。

“火星2020”的星际飞行器

降落过程中，“毅力号”的车轮逐渐展开

如果“毅力号”发现自己正向着危险地表接近（判断范围大约是300米边长的区域），可以改变方向，选择一个更加安全的区域降落。

“天空起重机”和“毅力号”联合测试

样品传送到“毅力号”车体内

为什么地形相对导航很重要？就不能把火星车降落在平坦一点的地方吗？地形相对导航是火星探测的关键。火星探测最有趣的地方是去复杂的地形进行探索，这些地方有特殊的岩石和土壤，可能保存火星上过去微生物生命的迹象！

到目前为止，人类还没能把探测器派遣到这些有意思的地方。因为复杂的地形会大大提高直接着陆的风险，着陆器很可能撞上一块大石头导致翻车，火星上可没有可以用电话呼叫的救援服务。因此，在过去的火星着陆行动中，选定区域的99%面积上都不能有斜坡和岩石。这就意味着科学家们要放弃很多有价值的地点。有了地形相对导航技术之后，科学家们的选择就一下子丰富起来了。

地形相对导航技术的提出，是建立在前期任务基础之上的。在此前的任务中，人们发现，着陆器在进入火星大气层之前，根据通过深空网络提供的数据推算，探测器相对于预定着陆点的误差约为1～2 公里。进入火星大气层后，由于受到大气影响，误差估计会增加到约2～3 公里。

通过使用地形相对导航，有希望大幅度缩小误差。科学家们通过计算认为，可以通过空中机动，把这个误差数据减少到60 米甚至更小的数值。要做到这一点，需要解决两个问题：准确地知道下降飞行器自身的位置和前进方向，足够的空中机动能力。

“火星2020”能否实现距离触发和地形相对导航，取决于相关的传感器套件。其中包括一个叫做MEDLI2 的设备，还有一个叫做“EDL 摄像机和麦克风”。

MEDLI2 源于好奇号火星车任务期间的同类设备，全名是“火星科学实验室进入、下降和着陆仪表第二代”。好奇号任务期间的这套设备只能采集热防护罩上的有关数据，MEDLI2 不但可以采集热防护罩的数据，还能采集着陆器后部的数据。

MEDLI2 和来自“毅力号”所携带的“火星地表气象站”（MEDA）的数据，能够让科学家们更好地了解火星上的大气密度和风的特征，用于设计性能更好的未来火星着陆方案。

科研人员正在组合采样存储机构

美国宇航局工作人员顶着疫情进行测试

“EDL 摄像机和麦克风”全称是进入、下降和着陆（EDL）摄像机和麦克风。这套设备中包括好几个相机：降落伞“仰视”相机、下降阶段“仰视”相机和漫游车“仰视”相机。因为火星上是有大气的，所以人们可以听到声音。因此“火星2020”装了一个麦克风，用于在整个登陆期间捕捉声音。

因为这套设备能够提供直观视听感受，所以也被美国宇航局称为“公众参与有效载荷”。它能给地球上的人们带来逼真的、戏剧性的感受，就像他们亲自坐着飞船向火星降落一样。2012年“好奇号”的降落视频就引发了人们的狂热，这段长达7 分钟的“恐怖视频”在网上疯传。有了这段视频，人们终于知道了降落伞如何在火星大气层中打开，火星车如何被绳索吊放到火星表面，然后两者之间的绳索被割断，天车自己飞走无影无踪。

毅力号漫游车

“毅力号”预计2021年2月18日在火星表面着陆，然后实施为期一个火星年（687 个地球日）的探测。具体内容包括4 个目标。

目标一：寻找可居住性，发现在火星远古时期可能支持微生物生存的环境中形成的岩石，或被微生物改变的岩石，确定火星过去确实存在着能够支持微生物生存的环境。

“毅力号”的主相机正在测试

目标二：寻找生物特征，在那些适宜居住的环境中寻找可能存在的远古微生物迹象，特别是在那些能长期保存生命迹象的特殊岩石中。

目标三：暂存样本，从大约30 个有希望找到生物痕迹的岩石和表土目标上钻取样本，并将其存储在火星表面的具体位置。

“毅力号”的主相机

目标四：为载人登陆做准备，测试从火星二氧化碳大气中产生氧气的能力。火星大气非常稀薄，而且二氧化碳含量高达96%。人类肯定不能直接呼吸火星大气，但是二氧化碳的存在，让人们看到了制取氧气的希望。假如能够用火星大气制氧，未来的火星基地就可以自己解决呼吸问题，还可以支持更大规模的火星科考与资源开发。

所有这些都与火星生命的可能性有关。前3 个考虑了远古微生物的可能性。即使探测器没有发现任何过去生命的迹象，也为将来人类在火星上的生存铺平了道路。“毅力号”还将进行与4个目标相关的其他科学研究。例如，监测火星大气的气候和尘埃，这对于了解火星上的季节变化非常重要，也将有助于未来人类更好地预测火星天气。

“毅力号”降落到地面后，就要开始从事上述几个目标的科学作业了。它的基本架构与“好奇号”类似，实际上，“毅力号”大量使用了好奇号研制期间留下的备份元器件，大量降低了任务成本和风险。根据设计，“毅力号”将在火星上行走5～20 公里。美国的前三次火星车任务中，都发现车轮最容易出故障。特别是在火星那种复杂的道路条件下，车轮很容易被沙尘淤塞，进而失去正常行走的能力。因此，“毅力号”在车轮上做了重大改进。

“毅力号”是靠机械臂采样的

和前三个火星车一样，“毅力”携带了大量科学仪器，我们在这里仅仅介绍特点最为鲜明的部分，也就是机械臂和上面的钻探设备。

在石头上打眼的冲击钻

在火星表面作业中，“毅力号”的主要工作就是在石头上打洞。具体分为以下几个步骤：

第一步：找到有价值的岩石。

科学家们特别希望能找到在水中形成或被水改变的岩石。水是生命的关键，如果这些岩石含有有机分子，那就更有趣了。有机分子是以碳为基础的化学物质，是生命的基石。一些特殊类型的岩石可以保存数十亿年以来的生命化学痕迹。如果能找到这两类岩石，就很有可能在火星上发现远古微生物痕迹。此外，“毅力号”还要收集火山岩和其他岩石，以建立地质和环境随时间变化的记录。

第二步：采集岩样。

一旦科学家确定了一个感兴趣的岩石目标，“毅力号”就会动用钻机，钻出一个核心样本。钻机的原理和我们在地球上给空调打孔的水钻一样，但是考虑到“毅力号”的承载能力和发电功率都很有限，而且也不可能加水冷却及润滑，它的钻取深度只有2 英寸（大约5 厘米）。

第三步：密封岩石样本。

岩芯样品钻取下来之后，就要放进预先清洗过的样品管里，盖上盖子。按照地球上岩石的密度计算，每个样品重约半盎司（15 克）。

第四步：携带样品。

存好样品之后，“毅力号”会把管子插进自身携带的一个储存架上，然后带着它继续行进，直到任务小组在火星表面选好一个临时存储位置为止。因为这些样品来之不易，所以任务小组把这些临时位置称为“战略位置”。

第五步：保存样本。

“毅力号”也能斜着钻探

“毅力号”钻探大块岩石的想像图

“毅力号”钻探水岩石的想象图

将火星样本放在火星表面的一个位置，等待2022年美国宇航局发射另一个探测器来火星。这个探测器具备从火星表面起飞的能力。它会找到“毅力号”存放样品的地方，把它取走返回地球。按照目前的技术，火星探测器在绕火星飞行的时候，可以精确获取火星表面的影像，定位精度可以达到1 米，再结合漫游车用摄像头拍摄的图像，可以把定位精度提高到1 厘米。如果一切顺利，返回探测器可以很容易地找到样品存放点。

“毅力号”的机械臂

钻探工作的主角是“毅力号”的机械臂。这条2.1 米长的机械手臂可以像人的手臂一样运动。它有肩膀、肘部和手腕关节，保证了最大限度的灵活性。这只手臂可以让漫游车像人类地质学家一样工作，用“手”或转塔握住和使用科学工具。漫游车的“手动工具”可以从岩石中提取岩芯，拍摄显微图像，分析火星岩石和土壤的元素组成和矿物组成。

这条机械臂有5 个自由度，是通过名为“旋转执行器”的微型马达实现的，这5 个自由度是肩关节、臂关节、肘关节、腕关节和转塔关节。手臂末端转塔就像一只手，可以握持相机、矿物和化学分析仪，用来研究火星过去的可居住性，并选择最具科学价值的样本进行储存。

安装在转塔上的科学工具有钻探类和观测类两种。

在石头上打洞

最重要的当然是钻探设备。转塔上有3 种不同的旋转冲击钻头：岩石取样钻头、风化岩石和土壤取样钻头、研磨器，直径都是27 毫米。两种钻头用于将火星样本直接收集到干净的样本收集管中，而研磨钻头则用于刮除或“研磨”岩石表层，露出新鲜、未风化的表面，以供研究。

首先来讨论岩石取样钻头。钻头从岩石内部切出样品，然后从岩石本体上切断取出，再把样品直接收集到干净的样品收集管中。这些样品管大约有一个手电筒那么大。每个收集到的岩芯直径为13 毫米，长度为60 毫米，平均每根管子含有10～15 克火星物质。这种钻头的形状和原理，和我们在建筑物墙体上开孔安装空调的开孔钻几乎一样，只是体积更小一些。但是在火星上对岩石开孔，还是有些问题要解决的。

我们知道，在为空调打眼之后，钻头中间会有一段圆柱形的墙体材料。作为科学考察，这一段圆柱体就是人们想要的样品。在地面上，我们经常会遇到这样的情况：墙体材料卡在了钻头的中间，工人师傅们想尽办法，也很难把它拿出来。有时候经常要用铁锤用力敲打钻头的圆筒，甚至于拆掉钻头的尾部，用另外一个坚硬的物体伸进去把它顶出来。在火星上，我们可找不到工人师傅来做这么费力的工作，如果钻头卡住了，“火星2020”任务的主要工作项目就面临着失败的风险。

于是，“毅力号”的钻头采用了一种独具匠心的设计。它的钻头分成内外两层。外层就是我们所熟悉的开孔钻，内层还有一段管子，叫做切断管。两者之间用螺纹旋在一起，可以相对运动。开孔钻和切断管的轴心并不是和驱动电机完全重合的，而是都稍稍错开一点。在钻探开始的时候，开孔钻和切断管的中心重合在一起。这样，当开孔钻向岩石内部掘进的时候，被采集下来的岩石样品就进入了切断管的内部。当钻头抵达了大约6 厘米的预定掘进深度以后，就停止钻探，切断管单独旋转起来。如此，切断管和开孔钻的轴心就有所偏离，这样就会对管内的岩石样本施加一个横向的推力，把它从岩石本体上剪切下来。因为推力是整个施加在样本侧面的，因此切断的位置肯定是在根部，不会出现那种掘进了6 厘米，但实际上只能拿出不到6厘米长度样品的情况。切断之后，岩石样本的下端面卡在了切断管和开孔钻形成的一个小小台阶上，不用担心它掉出去。这样巧妙的设计也允许“毅力号”的采样机构能够钻取非常小直径的样本，降低了对钻探机构尺寸和功率扭距的需求。

在泥地上采样，需要用特制钻头

钻取岩石的示意图

相比之下，在地球上进行地质钻探，所取回的样本直径往往达到5 厘米甚至更多。这样能让科学家们得到更多的样品。然而，它所需要的扭距和机械功耗，超过了火星车所能提供的额度，因此不适用于“火星2020”任务。

钻探不同质地岩石的实验效果

钻探风化岩石的效果

除了坚硬的岩石，“毅力号”还需要在风化严重的岩石和土壤上取样。风化岩石和土壤的特点是容易破碎，而且钻探过程中会产生大量粉尘。因此。“毅力号”还配备了另一种钻头，它的开孔钻部分稍微短一些，侧面开有比较宽的长孔，这样就可以在钻探期间，把大量粉尘排出去，免得它们卡死钻头。

这样新奇的设计方式到底靠不靠谱？从上世纪90年代开始，美国宇航局专家就在测试这种独具创意的钻取方式。他们考察了数十种不同的岩石，从其中选择了6 种具有代表性的实验对象进行了140 次钻探实验，其中有132 次取得了完全成功，只有8 次发生了样本断裂、取样不完整的情况，没有出现过采样之后切断管里空空如也、一无所获的情况。甚至在对一些风化极为严重的岩石进行采样时，也取得了成功。

钻探风化岩石和土壤的钻头

钻探后把样品送入存储设备的试验

“火星2020”任务并不仅仅是把岩石样本钻探出来，供下一次任务带回地球。它能够在火星上就对这些样品进行一些初步的理化分析。从美国宇航局为此发布的视频中可以看到，当钻探完成之后，会先把收纳着岩石样品的管子从钻机里取出来，插到一个转盘里，再用机械臂送到火星车内部的理化分析仪器当中，进行初步的扫描和分析。其中最重要的工作是测量样品的体积和重量。然后，把样品存放管密封起来，放进火星车后部的收纳空间。每个过程都要留下影像证据。根据美国宇航局发布的视频，“毅力号”上一共有大约37个可以容纳岩石样品的收纳空间。