火星车（上）

郑永春

每逢晴朗的夏夜，如果抬头看向东南方向，你会在低空中发现一颗暗红色的星星，那就是火星。

火星的英文名为Mars，源自罗马神话中的战神马尔斯。而在希腊神话中，它是以残暴好战著称的奥林匹斯十二主神之一的阿瑞斯（Ares）。在北欧神话中，火星代表了战神提尔（T?r）。

在中国，汉代以来的古人，一直把火星、赤星与荧惑并用。之所以把火星叫作荧惑，一方面是因为火星是红色的，与萤火虫的光相似;另一方面是因为火星的轨道偏心率大，在天空中时隐时现，让人疑惑，捉摸不透。那么，中国古代神话中有没有把火星与战争联系起来呢？其实也是有的，三国时张揖编撰的《广雅·释天》中记载，“荧惑谓之罚星或谓之执法”，罚和执法，都是兵象的征兆。每隔几十年，火星运行到东方七宿中的心宿附近，与代表帝王的心宿二（也称大火星）相遇。在占星术中，这种叫作“荧惑守心”的天象，被认为是大凶之兆。实际上，这是太阳系中离我们很近的一颗行星，与非常遥远的恒星，在视觉上走到了一起，与吉凶无关。

因此，在古代，无论是东方还是西方，人们都把火星跟战争、灾难、死亡联系在一起，是不祥的征兆。但神话毕竟是神话，很幸运的是，人类掌握了科学，通过一点一滴的探索，得以还原火星的真实面目。

1543年，哥白尼提出，火星是绕太阳运行的，不是绕地球运行的。

1609年，开普勒宣布，火星绕太阳运行的轨道不是圆形的，而是一个椭圆。

1610年，伽利略第一次把望远镜对准火星。

1659年，惠更斯通过望远镜观测，得到了火星的自转周期。

1666年，卡西尼在意大利观测火星，绘制了火星地图。

1877年，美国人阿萨夫·霍尔发现了火星的2颗小卫星，他用战神的2位随从——福波斯和戴摩斯命名之。同年，意大利人斯基亚帕雷利把他看到的火星地貌，用直线画成了蛛网状。这些直线后来被误读为人工建造的运河。此后，火星成为天文学家最重要的观测目标之一，并繪制了一系列的火星地图。

1894年，美国富商罗威尔建立私人天文台，以寻找火星上的运河、幻想中的火星农业和火星人。接着，《火星纪事》《红色星球》《火星沙》等一系列科幻小说，又把对火星的关注从科学视角，转移到文化和社会视角。

然而，地球上的观测总是太过遥远。当我们还在仰望星空，以为火星遥不可及的时候，火星探测已经走过了50多年的历史。1960年， 苏联发射了人类历史上第1 个火星探测器——火星1号，但并不成功。1965年，美国的水手4号首次成功飞越火星。迄今为止，美国、苏联（俄罗斯）、欧空局、日本、印度等，都曾经探测过火星。在40多次火星探测任务中，既有环绕火星的轨道器进行遥感探测，也有登陆火星表面的着陆器进行定点探测，还有4辆小车在火星表面巡视勘察。这些火星车是如何登陆的，又是如何工作的，它们取得了哪些新的发现，值此2020火星年之际，我们将分2期介绍这些火星上的小车。

探路先锋索杰娜

2015年上映的科幻大片《火星救援》中，一个航天员乘组于2030年登陆火星。刚登陆不久，他们就遭遇了强烈的沙尘暴。为避免不测，他们紧急撤离，却意外地与影片的主角马克失去联系，把他独自留在了火星上。他长途跋涉，找到了上世纪90年代登陆的火星车，利用火星车上的天线和独特的编码，重新与地球上的工作人员取得联系……

这辆出现在科幻片中救了马克一命的火星车，并非凭空捏造出来的，而是1996年发射升空，1997年7月4日登陆的火星车“索杰娜”（也翻译为“旅居者号”）。这个女性化的名字，是为了纪念一位曾经的黑奴索杰娜·特鲁斯（Sojourner Truth）。在美国南北战争期间，她积极反对奴隶制度，争取妇女权利。

索杰娜是火星探路者号（MarsPathfinder）计划的一部分。它是一辆小型火星车，仅10.6千克重。登陆火星前，它与着陆器合为一体。

登陆后，火星车展开，并脱离着陆器。展开后的火星车长65厘米，宽48厘米，高30厘米。摇臂转向架可以检测到20 厘米高的岩石。因为个子太矮，它拍摄的照片总是仰视视角，让火星上的石块看起来都很奇怪，显得特别高大。

索杰娜的设计寿命只有1星期。它的上甲板铺设了1层太阳能电池，所有的能量来源于此。它有1 根杆状天线，由于功率太小，无法将信号直接发送给地球，只能通过着陆器转发，才能与地球通信。

索杰娜配备了6个直径13厘米的铝合金车轮，轮胎和刹车系统则是不锈钢材质。每个车轮都有电动马达，可以独立驱动。索杰娜走得很慢，最快时也只有1 厘米/ 秒，毕竟是在荒凉而陌生的星球上独自行驶。后来的机遇号和勇气号、好奇号也都走得很慢。但索杰娜的一个重要缺陷是，它离不开着陆器的通信，只能一直围绕着陆器打转。

由于重量限制，索杰娜的探测设备也很简单，只在火星车后部安装了1个简易的彩色摄像头和1台能谱仪。遇到要分析的岩石时，火星车必须调转头，让车尾的能谱仪接触石块进行分析。而且，分析过程往往需耗时数小时，才能获得较高的信噪比，识别出岩石中的化学元素。

作为第1代火星车，索杰娜虽然个子小、功能简单，走得也不远，但它却为此后更复杂、功能更强大的火星车担当起了“探路先锋”的重任。

跑马拉松的“勇气”和“机遇”

“勇气号”和“机遇号”是一对“双胞胎”火星车，不仅外形长得一模一样，连携带的探测设备也完全相同。这对小哥儿俩分别于2003年6月10日和7月7日前后脚发射，2004年1月4日和1月25日先后登陆火星。

勇气号的目的地，是直径约150千米的古谢夫环形山。火星的北半球主要是低洼地形，南半球则是大片的高原，古谢夫刚好位于南北地形分界线附近。遥感图像显示，古谢夫的南部受到了来自马丁峡谷的水流冲刷，那里曾经是一个湖泊，湖底残留着各种沉积物。科学家原本希望勇气号登陆后，分析一下那里的岩石究竟是湖底沉积形成的，还是在干燥环境中形成，后来才被水浸泡的。也就是说，他们相信那里一定会找到水的遗迹。但是，勇气号登陆后发现，那里大部分区域覆盖着火山喷发形成的玄武岩，并没有找到水流的遗迹。玄武岩很可能来自古谢夫北部的阿波里那火山。

机遇号的目的地，是位于火星赤道以南的子午线高原，那里的地形特别平坦。厚达数百米的灰色赤铁矿覆盖在阿拉伯台地上，看起来就像火山喷发的碎屑物质。我们知道，火星之所以是红色的，是因为表面的含铁物质被氧化后呈红色，这些物质就是赤铁矿，与铁锈的成分相同。但是，火星表面除了红色的赤铁矿，还有一种灰色的赤铁矿，它们的化学成分相同。科学家很想知道，这些灰色的赤铁矿是怎么形成的。

勇气号和机遇号之所以都选择在赤道地区登陆，一是因为那里的太阳能比较充足，可以给火星车提供充足的能源。二是因为那里地势低洼，海拔较低，可以有更长的距离留给降落伞进行减速，减速效果越好，着陆冲击就越小。

作为第2代火星车，勇气号和机遇号各重170千克，是索杰娜的16倍。而且，它們的个子也要高得多，桅杆上的单色导航相机的视场更宽广，拍到的照片让地球上的工作人员看起来就像身临其境，可以更方便地操控火星车。

车身重了，可以携带的仪器设备也就多了。作为机器人“地质学家”，勇气号和机遇号的主要目的是分析岩石的物理特性、化学成分和矿物组成。机械臂上有1台显微成像仪，它的功能就像地质学家常备的手持放大镜，可以识别出哪些石块是水中形成的，哪些是火山喷发形成的，哪些是小天体撞击形成的。不仅能观察岩石中的矿脉，还能看清楚土壤颗粒的形状和大小，分析土壤的侵蚀过程。

因为沙尘暴的原因，几乎整个火星表面都覆盖了一层红色的沙尘，走到哪里看起来都差不多。当年，索杰娜就被这层红色的细沙给蒙蔽了，它在着陆器周围分析来分析去，发现那些沙尘的成分都基本相似。“吃一堑，长一智”，为了揭开火星岩石的神秘面纱，科学家专门给勇气号和机遇号配备了不锈钢刷头，以清除石块表面的灰尘。同时，还配备了1 个钻头，可以在岩石上打磨出几厘米深的圆孔，然后用光谱仪分析岩石成分。

最令人惊喜的是，作为一款低成本航天器，勇气号和机遇号当初的设计寿命只有短短3个月（90个火星日，1个火星日等于24小时39分钟）。但是，它们的表现远远超过了人们的预期。勇气号运行至2010年，工作了6年多，跑了7.7千米。机遇号一直运行至2018年，工作了整整15年（约相当于8个火星年），是设计寿命的近60倍。而且，机遇号还是宇宙“马拉松”比赛的冠军，它总计跑了45.16千米，超过1个全程马拉松的长度。