“火星2020”：人类历史上最贵的“车”

文/毛新愿

▲“火星2020”艺术概念图

在“洞察号”发射成功之际，有人可能会问：美国近期还有什么火星探测计划？恰好，就在不久前，美国宇航局宣布：人类历史上最为复杂的火星车——“火星2020”的建造取得重大进展，将会顺利赶上2020年7月的发射窗口。

由于火星与地球在太阳系的相对关系，二者拥有一个780天的会合周期，也就意味着从地球探测火星的窗口每26个月才出现一次，如果错过就要额外等待两年多。

按照以往的惯例，在发射前美国宇航局估计又将举办小学生作文大赛，为这部火星车征名，不知道会是哪位小朋友得到这个殊荣。

技术看点

早在2012年8月6日造价高达25亿美元的好奇号火星车成功降落火星后不久，当年12月4日，美国宇航局关于新一代火星车的项目就正式立项，也就是眼前的这个“火星2020”。它是基于“好奇号”的平台开发而来，在众多仪器上做出一定改进。

相比较“好奇号”专注于分析火星土壤和岩石的物质组成，“火星2020”则专注于寻找生命的痕迹。它携带的X射线光化学荧光光谱仪，可以更加精细测定土壤和岩石的精细元素构成；携带的新型地下雷达成像仪则直接可以探测地下十米以内的水冰和盐水含量，并辅助监测有机物的含量。

除具备“好奇号”的功能之外，“火星2020”还有四个重大创新：

一是携带了一套火星制氧实验装置，可以将空气中二氧化碳转化为氧气。对于人类未来的载人登陆火星任务来说，几乎不可能将返回火箭发射时用的巨大燃料储备送到火星地表，这难度过大。从火星空气和土壤中提取甲烷、液氧、液氢等燃料，无疑成为最佳选择。而氧气的制备，无论对于未来人类的生存还是火箭燃料来源，意义不言自明。

二是携带了一台“火星直升机”。虽然火星的大气密度和气压连地球的1%都不到，但“火星2020”将释放一台仅重千克的超强直升机，为了飞起来需要达到地球同类直升机转速10倍以上，能够实现每天最多3分钟的工作时间。它可以极大扩展“火星2020”的探测范围，每天可以探测1公里左右。这将是人类历史上首次将有翼飞行器送入其他星球。要知道人类第一个火星车“旅居者号”在7天工作时间内才爬行了100米左右距离，而这个直升机每天的工作距离都是它的十倍之远！

三是携带了共计23台照相机，为历史之最。除了工程和避险相机外，这23台相机分别具备实现彩色成像、三维成像、微距成像等一系列复杂功能。因此，“火星2020”的功能也将大大提升：它不再需要停下来一块一块分析土壤和岩石，当发现值得研究的目标时，仅需调动相关相机就可在几米开外进行详细探究。

四是将在人类探测火星60周年之际开启采样返回的新一轮挑战。俄罗斯曾经尝试两次火星采样，但都不幸失败。“火星2020”将会收集值得研究的火星土壤或岩石样本，由下一个专注于发射火箭返回的探测器将样本送回地球。火星车纵然已经功能强大，但和地球上的专业实验室相比还不可同日而语，如果能够带回地球研究，得到的结论必将让人大吃一惊。

可以想象，“火星2020”所实现的功能将大大超越“好奇号”。当然，它的质量也不低，预计将达到1吨左右，甚至超越它的前辈“好奇号”，成为人类历史上最重的一辆火星车。

▲“好奇号”降落过程中“空中吊车”技术全过程

“空中吊车”再现

“火星2020”将继续沿用“好奇号”的“空中吊车”技术：在降落过程中，着陆器在经过大气摩擦减速和降落伞减速后将会分成两个部分，上部分携带有巨大能量的8个反推火箭，形成一个悬浮在空中的“吊车”，下部的火星车通过电缆和3条柔性钢索与之相连。随着空中吊车缓慢减速降落，一旦火星车安全碰触地面，所有的关联绳索在几毫秒内迅速被切断，空中吊车迅速飞走并远离火星车后坠毁。

要知道，这几乎相当于把一辆家用小轿车从迪拜塔上扔下来后，中途启动空中吊车（“好奇号”的吊车启动时运动速度高达90米/秒、距离地表数百米），在短短几十秒内将相对速度减到几乎为0。而由于火星车上精密仪器的存在，对冲击力的容忍程度非常低，相当于家用轿车的报警系统也不能被触发，难度可想而知。而“火星2020”的空中吊车还将做进一步改进，可以规避风险选择最优路径，将火星车放到最理想的地点。如果说“好奇号”的空中吊车可以将它从迪拜塔安全“扔到”火星表面，那么“火星2020”的空中吊车则可以将它精准“扔到”停车位里。

能量来源方面，“火星2020”也将继续沿用钚-238组成的放射性同位素热电机。这种原子弹副产品制造的“核电池”有着高达88年的半衰期，可以为火星车24小时提供稳定的能量来源。这种电池已经陪着两个旅行者号探测器在太空中飞行了40年，依然与地面保持有效联系。它也驱使着“好奇号”在火星表面行走了17310米！而且每一天，这个距离都在增加。

▲计划接应并执行采样返回火箭发射任务的火星探测器艺术图

▲“好奇号”降落到火星后的一张自拍（举着相机的机械臂已被PS掉）

▲火星直升机艺术效果图

史上最贵的“车”

由于继续使用了“好奇号”的基准平台和成熟的空中吊车技术，“火星2020”在建造方面的成本有所降低，但由于新型仪器的使用，它目前的预算已经高达21亿美元，逼近“好奇号”的25亿美元。

考虑到它还有2年多才发射且极有可能是一个超长工作时间的火星车，它的预算最后极有可能超越“好奇号”，成为人类历史上最昂贵的一部车。

而“好奇号”的25亿美元是个什么概念呢？890千克的它，大概等值于40吨黄金，而“火星2020”极有可能超过这个数字！

现在，包括美国、欧空局、中国、俄罗斯、日本、印度和阿联酋的众多航天机构也都摩拳擦掌，瞄准2020年这个时间窗口。届时，人类即将迎来探测火星历史上最繁忙的一年！