美国毅力号火星车成功着陆火星

王帅 李鹏 郭文博 张扬眉

（1北京空间科技信息研究所 2中国空间技术研究院发展计划部）

美国东部时间2021年2月18日15:55，“火星2020”（Mars 2020）探测器携带毅力号（Perseverance）火星车，在经历“恐怖七分钟”的进入、下降和着陆（EDL）过程后，最终成功着陆在杰泽罗（Jezero）环形山。接下来，毅力号将在火星表面工作至少1个火星年（687个地球日）。该任务的科学探测目标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，供未来的火星任务带回地球。

1 任务基本情况及历程

“火星2020”任务属于美国国家航空航天局（NASA）“火星探测计划”，任务目标主要是探测火星的宜居性，寻找生命存在的痕迹，采集样品等待后续任务带回地球，测试火星大气制氧技术，为未来载人任务做准备。“火星2020”任务由美国喷气推进实验室（JPL）管理，成本高达27.713亿美元，其中规划成本为3.976亿美元，研制与发射成本为20.362亿美元，运行成本为3.375亿美元。

“火星2020”探测器由三部分组成，包括巡航级、EDL系统和毅力号火星车。毅力号是NASA迄今为止建造的体积最大、质量最重的火星车，继承了好奇号（Curiosity）的设计，质量为1025kg。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。

2020年7月30日，“火星2020”探测器搭乘宇宙神－5－541（Atlas－5－541）运载火箭从卡纳维拉尔角空军基地发射。经历近7个月的巡航阶段后，探测器到达火星。

按照飞行计划，2021年2月18日15：38，巡航段分离；15：48，探测器以约19500km/h的速度进入火星大气层顶部；15：49，探测器底部热度达到峰值，约为1300℃；15：52，在超音速状态下打开降落伞，准确的时间基于新的“距离触发器”（Range Trigger）技术；开伞后约20s，EDL系统底部分离，火星车可以使用雷达确定距地面的距离，并利用“地形相对导航”（Terrain-Relative Navigation）技术寻找安全着陆点；15：54，EDL系统中连接降落伞的后壳分离，“喷气背包”（Jetpack）利用反推发动机减速并飞向着陆地点；15：55，毅力号火星车利用“空中吊车”（Sky Crane）以大约2.7km/h的速度着陆在火星表面。

毅力号着陆过程

上述时间为地面团队收到信号的时间，对于“火星2020”探测器而言，这些时间需要提前11分22秒（地火通信所需时间）。

着陆后，毅力号开始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，然后毅力号将行驶至安全位置，机智号则将在约30天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。

2 着陆和探测特点分析

全球第九次成功着陆火星，迄今为止最大火星巡视器

火星着陆探测是当前难度最高的航天任务之一，成功率不到50%。截至2021年2月，全球共实施了47次火星探测任务，其中着陆和巡视任务为22次，包括火卫一（Phobos）采样返回任务“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）。在已实施的21次火星着陆和巡视任务中，有15次成功进入火星大气，仅有9次任务完全成功着陆。美国实施的10次着陆任务全部进入火星大气，仅失败1次，其余9次全部成功；苏联/俄罗斯实施的9次着陆任务仅有3次进入火星大气，火星－3（Mars－3）成功完成了着陆，但只返回了20s的信息，并不算完全成功；欧洲实施的2次着陆任务全部进入火星大气，但均以失败告终。

“火星2020”探测器成功完成了全球第九次火星着陆，再次证明了美国在火星探测，特别是EDL技术方面的绝对领先。着陆火星的毅力号火星车质量为1025kg，是迄今最大的火星巡视器。在此之前，共有4辆火星车成功着陆火星，分别为10.5kg的索杰纳号(Sojourner)、185kg的机遇号（Opportunity）和勇气号（Spirit）、以及899kg的好奇号。

重视宜居性和生命探测，着陆地点充满机遇和挑战

美国火星探测的科学战略演化

经历了半个世纪的探测，人类对于火星基本物理参数、空间与表面环境、地形地貌与地质结构、表面物质等方面都取得了一定的认知，已经从全球遥感探测向表面和巡视探测进行转变，目标也从探测行星环境向寻找水过渡，进而转变为寻找火星生命痕迹。2011年，NASA宣布美国的火星探测从“追踪水的痕迹”正式转变为“搜寻生命信号”。2011年“火星科学实验室”（MSL）之后任务的科学战略目标主要是“寻找生命信号”、“探测适居性”和“为载人探测做准备”。“火星2020”的任务目标完全对应于上述科学战略目标，除保存样品之外，主要是探测火星宜居性、寻找生命痕迹以及为未来载人火星任务做准备。

为完成科学目标，“火星2020”携带的毅力号火星车的着陆地点为杰泽罗环形山，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。

杰泽罗环形山是寻找古代微生物生命迹象的理想场所，但由于该地区地势不平坦，存在着陡峭的悬崖、沙子、巨石和撞击坑，对于着陆精度提出了更高的要求。

第二次采用“空中吊车”，引入新技术提高着陆精度

传统的火星减速方式都采用了大气制动、降落伞和制动发动机相结合的方式，而质量较大的好奇号和毅力号采用了“空中吊车”技术。“空中吊车”相比于背负火星车的着陆器而言，不需要缓冲机构、火星车驶离着陆器的系统等，对于结构强度要求也低，因此可以有效降低着陆系统的质量，提高火星车质量在整个探测器系统的比重；“空中吊车”还可以持续工作到火星车着陆，避免发动机对火星表面的影响，减小最终着陆的速度并提高着陆精度；同时，“空中吊车”与火星车的组合体重心较低，更加稳定，不容易发生侧翻，同时对于地形要求也低，可以提高着陆的安全性。

由于毅力号的着陆地点—杰泽罗环形山布满陡峭的悬崖、沙子、巨石和撞击坑，对着陆精度有着更高的要求，因此NASA在利用好奇号成熟着陆技术的基础上，进行了一系列二次创新，包括“距离触发器”和“地形相对导航”，有效提高了着陆精度。“距离触发器”技术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。“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，可使着陆器具有“眼睛和地图”的功能。

采集并存储火星样品，验证多项新型探测技术

下降过程中的毅力号火星车

机智号直升机

毅力号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，计划采集至少30份样品。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。同时，毅力号携带的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。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。毅力号的着陆还将为NASA的洞察号（Insight）任务提供帮助，其着陆产生的地震信号，可能被洞察号探测到，这也将是首次利用一个探测器“倾听”另一个探测器着陆在地外天体上。

3 小结

作为NASA最新的旗舰级火星探测任务，“火星2020”代表了美国最高的技术水平，其着陆采用的多项新型技术以及后续试验的火星直升机和火星大气制氧技术，都将为未来无人或载人火星探测奠定基础，是当前需要重点关注的技术。“火星2020”迈出了美欧火星采样返回计划的第一步，NASA和欧洲航天局（ESA）正积极推动后续任务发展，火星采样返回可能成为主要航天大国新的竞争焦点。

毅力号传回的首张彩色火星表面照片