美国成功发射毅力号火星车，迈出火星采样返回第一步

张扬眉（北京空间科技信息研究所）

“火星2020”（Mars 2020）是美国国家航空航天局（NASA）的一项火星巡视探测任务，于北京时间2020年7月30日19:50由宇宙神－5－541（Atlas－5－541）运载火箭从卡纳维拉尔角空军基地发射。该任务的科学探测目的为探寻火星过去的宜居条件，探索火星表面远古的生命痕迹，并采集火星岩石和土壤样品，将其存储在容器中，供未来的火星采样返回任务带回地球。“火星2020”探测器携带毅力号（Perseverance）火星车，将于2021年2月18日着陆火星表面，工作时间为至少1个火星年（687个地球日）。

1 任务背景

“火星2020”任务属于NASA的“火星探测计划”。美国国家研究委员会（NRC）曾于2011年发布行星科学10年调查报告—《2013－2022年行星科学愿景与航程》，该报告将火星采样返回任务列为未来10年优先级最高的旗舰级深空探测任务。“火星2020”任务则作为未来美国火星采样返回任务的第一阶段，将采集火星样品，供未来任务送回地球。

2013年11月，“火星2020”项目开始规划；2014年10月，完成系统需求/任务定义评审；2016年2月，完成初步设计评审；2017年2月，完成关键设计评审；2018年2月，完成系统集成评审；2020年1月，完成美国政府问责办公室（GAO）评审。

“火星2020”项目由美国喷气推进实验室（JPL）管理，项目原计划总成本为24.4亿美元，其中规划成本为3.91亿美元，研发成本为16.77亿美元，运行成本为3.76亿美元。2020年1月，GAO发布评估报告，称该项目超支11.6%，总成本达到27.26亿美元，其中规划成本为3.98亿美元，研发成本为20.36亿美元，运行成本为2.92亿美元。该项目的国际合作伙伴包括法国国家空间研究中心（CNES）、西班牙国家航空航天技术研究所天体物理学中心（INTA-CAB）、挪威国防研究所（FFI）、意大利航天局（ISA）等。

在推进后续的火星采样返回任务方面，2019年，NASA和欧洲航天局（ESA）继续推动联合实施火星采样返回任务的方案和探测器设计研究。双方曾于2018年签署了合作意向声明，将合作开展火星采样返回任务，其中ESA负责提供取样火星车以及地球返回轨道器，NASA提供将样品发射至火星轨道的火星上升器。

2 任务基本情况

任务目标

“火星2020”携带的毅力号火星车将在杰泽罗环形山（Jezero Crater）着陆，该地区经历了湿润、干涸、再湿润、再干涸的变化过程。约35亿年以前，有河道水流经过该环形山壁，形成一个湖泊，河水携带附近区域的黏土矿物质进入环形山，但之后该湖泊逐渐干涸。在该地区的“湿润”时期，可能曾出现过微生物，因此毅力号有可能在河床中寻找到相关证据。此外，毅力号还将为火星地质学和气候研究提供重要数据。毅力号有以下4项科学目标。

1）探测火星的宜居性：鉴别可以支持微生物生命的火星远古环境；

2）寻找生命痕迹：寻找这些宜居环境里微生物生命存在的痕迹，尤其是那些已知可以长期保留生命痕迹的特殊岩石；

3）保存样品：采集核心岩石和土壤的样品，并将其存储起来，放置于火星表面的容器内；

4）为未来载人火星任务做准备：测试利用火星大气制造氧的技术。

探测器设计

（1）整体设计

“火星2020”探测器由三部分组成：巡航级，进入、下降和着陆（EDL）系统，以及毅力号火星车。

探测器的EDL系统继承了好奇号（Curiosity）火星车的设计，但在此基础上采用了一些新技术，包括距离触发器，地形相对导航，火星科学实验室进入、下降和着陆仪器－2（MEDLI2），以及EDL相机和麦克风等。

“火星2020”探测器构型图

毅力号是NASA迄今为止建造的体积和质量最大的火星车，继承了好奇号的设计，大小类似一辆紧凑型小轿车，尺寸为3m×2.7m×2.2m，质量为1025kg，工作寿命为1个火星年。

毅力号利用多任务放射性同位素热电发生器（MMRTG）提供能源，该发生器质量为45kg，利用4.8kg的二氧化钚进行电能转换，工作寿命为14年，发射时的功率为110W。此外，毅力号还配备有2套锂离子可充电电池组。在通信中继方面，毅力号利用深空网（DSN）与地球通信，配备了特高频（UHF）低增益天线、X频段高增益天线，通过NASA在轨的火星轨道器中继大部分科学数据，或直接与地面进行通信。此外，毅力号的超级相机（SuperCam）以及车身侧面各安装了一个麦克风，将首次捕捉降落过程中的声音，以及毅力号工作过程中的声音。

毅力号共有6个轮胎，铝材料制成，直径为52.5cm，每个轮胎都有独立的电机，2个前轮和2个后轮具有独立的转向电机，能够原地360°转弯，可攀登40cm高的岩石。相比好奇号，毅力号的轮胎具有更好的耐磨性和摩擦力，且尺寸也进行了改良，直径更大，宽度更窄。

毅力号火星车有效载荷分布情况

（2）有效载荷

毅力号将携带7种有效载荷，总质量59kg，分别为桅杆相机-Z（Mastcam-Z）、超级相机、X射线岩石化学行星仪器（PIXL）、“夏洛克”（SHERLOC）、火星氧气原位资源利用实验（MOXIE）、火星环境动态分析仪（MEDA）、火星亚表面雷达成像实验（RIMFAX）。

（3）采样和存储分系统

毅力号的采样和存储分系统包括3台装置：机械臂、样品传送盘、适应性存储组合，共配有9个钻头，43个样品管。这些装置将共同协作，采集岩石和土壤样品并将其封存在样品管中，最后将上述样品管存放在火星表面，供未来的火星任务获取并送回地球。毅力号计划采集至少30份样品。

1）机械臂。毅力号装有一个具有5个关节、长2.1m的机械臂，上面装有一个可装载钻头和仪器的45kg的云台。该机械臂装在毅力号底盘的前部，可以伸缩移动。云台包括一个提取器、一个用于获取岩石和土壤样品的可旋转的撞击设备。一小罐压缩氮气可用于吹散样品上的尘埃和其他粒子，以供安装在云台上的“夏洛克”和PIXL进行样品分析。当科学团队确定了值得采样的岩石或土壤后，将向毅力号传送指令，机械臂将装着样品管的岩石钻头或土壤钻头装在提取器上，钻头在目标位置开始钻取样品。钻头有“旋转”和“冲击”两种模式，可将直径13mm、长度60mm的样品装入采样管中。样品的平均质量为10～ 15g。

毅力号火星车将把岩石和土壤样本储存在密封管中，以备将来的任务获取

2）样品传送盘。在采集到样品后，机械臂将样品管放入样品传送盘中。该传送盘安装在毅力号的前部，形状类似一个圆形飞碟。传送盘内存储着空钻头，可将样品运送给云台上的取样器。一旦取样器获得一份样品，传送盘随即将装好的样品管从取样器运送到毅力号的“腹部”。在毅力号内部，装有样品的样品管将被传送至适应性存储组合。

3）适应性存储组合。该存储组合包括样品处理臂、样品管组合、样品管封装和其他各种工作站。当样品传送盘将装载样品的样品管传送到适应性存储组合时，0.5m长的样品处理臂随即将该样品管移动到处理站。处理站测量该样品的容量并拍摄照片，密封样品管并将其存储起来。之后，当毅力号抵达合适的地点，样品处理臂将密封的样品管取出，放置在火星表面，供未来的任务获取。

（4）机智号直升机

此外，毅力号还携带了一架名为机智号（Ingenuity）的火星直升机。该直升机研发和运行费用约为8500万美元，质量为1.8kg，高0.49m，转子系统直径为1.2m，配备2对反向螺旋桨，叶片反向转速2400r/min，大约是标准地面直升机转速的8倍左右。直升机机身尺寸为13.6cm×19.5cm×16.3cm，4条 腿， 每 条 腿 长0.384m。该直升机配有太阳电池阵和锂离子电池组，可为每个火星日进行一次90s的飞行提供足够电能。直升机采用无线通信，配备有计算机、导航敏感器和2台相机（1台彩色、1台黑白）。机智号将成为世界首架在火星大气中飞行的直升机，以及首架在地外星体表面进行受控飞行的飞行器。机智号并未携带有效载荷，仅进行技术演示验证。机智号安装在毅力号的“腹部”位置，将在30天内进行1次或多次火星表面飞行，每次飞行时间不超过3min，高度在距离火星表面3～10m，每次飞行距离可达到600m左右。机智号的主要目标如下：

机智号直升机

1）在稀薄的火星大气中进行受控飞行；

2）演示验证小型化飞行技术，这就要求星上计算机、电子元件和其他元件的小型化，从而使得直升机的质量足够轻；

3）自主运行，机智号利用太阳能为其电池组充电，在寒冷的火星夜晚依靠内部加热器维持运行温度。由于来自地球的指令是由火星车中继到直升机，因此每次测试飞行都没有实时输入，需要自主运行。

任务历程

“火星2020”探测器的发射窗口为2020年7月20日－8月11日。探测器将经历发射、巡航、着陆、火星表面工作共4个阶段。

探测器发射后57min，与运载火箭分离，开始飞向火星，进入巡航阶段。在长达213天的巡航阶段，探测器将进行多次轨道机动，并在最后的45天开始接近火星。在探测器进入火星大气前10min时，巡航阶段结束，EDL阶段开始。7min后，毅力号将在火星表面着陆。

毅力号着陆过程

毅力号计划于2021年2月18日在火星表面的杰泽罗环形山着陆。之后，毅力号将进行初始检测以及为期约30天的试运行，包括部署桅杆和高增益天线、开始拍摄着陆点图像、升级火星车飞行软件、对所有仪器进行健康检查、机械臂测试、短暂行驶测试、放下保护直升机的托板等操作。之后，毅力号将寻找一块平地部署机智号直升机，毅力号将行驶至安全位置并在约30天的时间内进行一系列测试飞行。在完成直升机测试飞行后，毅力号将开始探测活动。

3 任务特点分析

首次使用火星直升机，为未来任务验证相关技术

“火星2020”任务的一大特点是首次使用火星直升机。与地球相比，火星表面气体非常稀薄，且昼夜温差大，直升机必须设计得很轻，且旋翼要更大，转速更快。工程团队在地面已经对直升机在火星模拟条件下进行了各种受控飞行测试，并对火星直升机制定了几项里程碑目标，包括成功发射、巡航并在火星表面着陆、从毅力号上成功部署至火星表面、在火星夜晚自动保持温度、利用太阳电池阵自动充电、成功实施首次飞行等，一旦该直升机此次任务取得成功，则可以将该技术应用到未来的深空探测任务中，以完成拍摄分辨率更高的图像、进行地形勘测、向其他探测地点运送有效载荷等任务，极大提高探测的效率和科学回报。

在成熟的EDL技术基础上进行二次创新

毅力号的着陆技术延用了好奇号的“空中吊车”（Sky Crane）技术，从而大大降低了技术风险和研发成本。但在利用成熟技术的基础上，NASA还进行了一系列二次创新，包括距离触发器、地形相对导航、MEDLI2，以及EDL相机和麦克风等，大大提高了着陆精度，丰富了探测数据。

1）距离触发器技术：这是一项设置降落伞展开时刻的技术，即选择合适的时刻启动释放降落伞的“触发器”，从而将着陆椭圆的范围减小50%，达到约10km。以往的任务都是在探测器达到所需速度之后尽可能早地部署降落伞。而毅力号任务的距离触发器则是基于探测器相对于理想着陆目标的位置来展开降落伞，也就是说降落伞的展开时间可早可晚，这取决于探测器与着陆地点的距离。如果探测器即将飞过着陆地点，那么降落伞就可能会早一些展开。如果探测器还未能到达着陆地点，那么降落伞则可能在稍后探测器飞得更近时展开。

2）地形相对导航技术：通过拍摄降落图像、对比星载地图、及时避障等步骤，精确操控着陆最后阶段。在探测器着陆前，轨道器创建一张着陆地点的地图，其中包括已知的危险要素。毅力号将该地图存储在其计算机中。在利用降落伞下降时，毅力号拍摄接近火星表面时的图像。随后，毅力号快速比较其拍摄到的图像和星上计算机存储的图像，如果前方出现直径为300m以内的危险区域，毅力号可改变方向飞行，最终降落在更为安全的区域。

3）MEDLI2：下一代EDL敏感器套件，测量EDL过程中隔热罩和探测器后部的温度和压力。该仪器是基于之前的MEDLI设计的，MEDLI仅收集隔热罩的数据，而MEDLI2则收集隔热罩和探测器后部的数据。这些数据可协助工程师设计未来EDL系统的模型。

4）EDL相机和麦克风：相比好奇号，毅力号增加了多个下降相机，相机套件包括降落伞“上方”相机、下降级“下方”相机、火星车“上方”相机、火星车“下方”相机，可拍摄着陆过程中的图像，增强公众参与度。此前好奇号的着陆过程仅为虚拟动画，并没有真实的图像或视频。而毅力号将可以向公众展示其降落伞在火星大气中展开、火星车由“空中吊车”系绳牵引下降到火星表面、切断系绳、下降级飞离等细节。此外，EDL系统还带有麦克风，用于捕捉EDL过程中例如下降发动机点火等各种声音。

演示验证先进技术，迈出火星采样返回任务第一步

毅力号将是首个携带样品存储系统登陆火星表面的探测器，将首次钻取并存储用于采样返回任务的岩石核心样品。与好奇号钻取打磨岩石不同，毅力号将岩石芯切断为粉笔大小，并放置在样品管中存储起来，等待未来的取样车将样品带走，这将为未来火星采样返回任务迈出第一步。

此外，毅力号采用了大量新技术、系统和仪器，例如“地形相对导航”技术、制氧技术、环境动态分析仪、MEDLI2相机等，都可用于未来的火星采样返回甚至载人火星探测。

重视科普作用，鼓励公众参与

“火星2020”任务非常重视对于公众的科普作用，鼓励公众参与到任务中去。“火星2020”共携带创纪录的25台相机，其中毅力号火星车携带了19台，机智号直升机携带2台，后壳安装3台，下降级安装1台。除完成科学探测目标外，这些相机能够最大程度地向公众呈现探测器着陆、工作的细节，且和其他火星探测任务一样，公众可以在互联网上下载毅力号拍摄的图像。毅力号此次还携带了以莫斯电码书写“一起探索”（Explore as one）的阳极板，以及3块刻着1090万公众签名的硅芯片一同前往火星。

此外，NASA还在其任务官方网站上举行了一系列科普活动，包括“火星问答”、“帮助NASA重塑火星车轮胎”、“毅力号背景相框”、“遨游虚拟发射现场”、“再次送你的名字去火星”等，极大提高了公众对于毅力号任务的关注程度，有效调动了公众参与的积极性。