火星漫游机器人成长记

张唯诚

从“小不点”到“大力神”

遨游火星的主角是火星漫游机器人，它们又被称为“火星漫游车”，是火星上不辞辛苦的“原野地质学家”。正因为它们的存在，人类才在地球之外的另一颗行星上进行了极为精细的原野考察。如今，这种探测方式不再局限于火星。可以预见，在未来，对星球的地面漫游考察将成为人类探索太阳系的一种重要方式。

人类的第一个火星漫游机器人被命名为“索杰纳”，它于1997年7月4日被“火星探路者号”飞船送到了火星的阿瑞斯平原上。“索杰纳”只有6个轮子，个头很小，由太阳能电池提供能量，前后均有照相机，亦可对附近目标拍摄特写。它先将获得的数据传输到着陆器上，再由着陆器传回地面控制中心。

“索杰纳”在火星上工作了3个月，发回了大量科学数据，成功完成了火星漫游的开创性使命，给人们留下了深刻印象。它的成功又强化了科学家们指派更先进的漫游机器人前往火星的愿望，直接导致了后面几代火星漫游机器人的诞生，如“勇气号”、“机遇号”、“好奇号”火星车等。虽然这些火星漫游车都比“索杰纳”本领大得多，但都是在“索杰纳”的基础上一步步“进化”而来的。

这样的“进化”表现在诸多方面：例如“索杰纳”是靠太阳能电池供电的，这种动力系统为后来多数火星漫游车所继承，其中“勇气号”和“机遇号”火星车就是成功典范。它们爬山下坑，跨沟越野，成功找到了火星上曾存在水的确凿证据。但火星上环境恶劣，阳光微弱，时常沙尘弥漫，太阳能电池效能大受影响，因而“好奇号”就改用了核能，这辆汽车大小的漫游机器人装备了放射性同位素热电式发电机。这种动力方式也被“毅力号”火星车所采用。

然而，使用核动力存在风险，环保专家和普通民众对使用核燃料都心怀恐惧，这种恐惧曾经几乎使“好奇号”面临夭折。好在一切顺利，“好奇号”得以成功抵达火星。对于火星车，太阳能和核能各有优劣，都是可用的动力方式。

“索杰纳”只有10千克重，但后来的火星车逐渐地“长大”了。大致来说，它们都借鉴了人体结构，如将照相机装在很像“桅杆”的立柱上，与人眼的高度差不多。“手”是带有多种工具和仪器的组件，具有与人体肩、肘和腕关节相似的结构，因而十分灵活。它们也越来越有力量了，如“好奇号”的重量是“勇气号”或“机遇号”的3倍，长度是它们的2倍，能攀爬60度的斜坡，设计的活动范围达到20千米，比“勇气号”和“机遇号”火星车延长了1倍有余。

成为“火星专家”

随着个头的增加，火星车的本领也越来越强了，它们在火星上的科研能力也一代更比一代强。当初“索杰纳”搭载的仪器很有限，但后来的火星车搭载的仪器便越来越多，也越来越复杂精密了。例如“好奇号”就搭载了10多种仪器，其中的“火星样品分析仪”最引人注目。它是一个小型的车载实验室，由质谱仪、色谱仪、光谱仪等精密仪器组成，负责研究火星上的碳化学，是专为寻找火星土壤中的有机质而研制的。

截至目前，火星车都肩负着2个最主要的任务，那就是寻找水和生命存在的证据。通过历代火星车的努力，人们对火星地表有了初步了解。人们认为，在火星地表沉积层形成的过程中，水扮演了重要的角色。目前，人们看到的火星地貌特征就是液态水塑造的。虽然现在的火星非常寒冷，但在过去，火星的气候可能很温暖。

种种迹象表明，在35亿-38亿年前，火星表面的大部分地区是被海洋覆盖着的。人们就此推测，火星有可能先于地球出现生命，这为地球生命的起源提供了一种新视角。

然而，这舒适的环境并没有保持到今天。大约在距今35亿年前，火星的气候发生了变化，火星变成了一颗干燥的星球。那么，火星到底还有没有生命存在？在地球上，微生物大量制造甲烷气体，而在火星的表面，火星车也监测到了甲烷。它们来自哪里？是不是也是微生物制造的？对于这个问题，目前尚无明确的答案。甲烷可以来自地下，也可以是行星尘埃的产物，所以有甲烷并不意味着有生命，但也至少显示了存在生命的可能性。对于甲烷的来源，下一代火星车将继续寻找答案。

力当“火星生存”的强者

火星上的环境非常恶劣，不仅地面崎岖，而且还有很多松散的沙土，所以人们在设计火星漫游车时，如何让火星车征服火星上的地面非常重要。例如，“索杰纳”只能探索它着陆的阿瑞斯平原上很有限的范围，而“勇气号”和“机遇号”火星车的表现大有突破，“好奇号”火星车则有了更好的成绩。“好奇号”火星车的轮子安装在细长的腿上，周到的设计使它不畏横亘于路上的岩石，强劲动力则使它善于攀爬沿途的高坡。

然而，仅仅如此是不够的。由于火星上的环境非常恶劣，未来的火星车一定要更加强悍，更有能耐。例如，传统的轮式火星漫游车在驶过软土和沙地时经常遭遇困境。2009年，“勇气号”火星车就因困在了火星上的一个沙坑中而终结了使命。为了应对火星上讨厌的沙土，有科学家为未来的火星车设计了可以灵活移动的轮子，这些轮子可以上下移动，也可以前后扫动。在实验室里，科学家们测试了这种漫游车的迷你型塑料版本，他们让火星漫游车以不同的方式摆动轮子，有时旋轉，有时左右摇摆，这些动作可以帮助漫游车缓慢地驶过松软的土壤。

当遇到斜坡时，这种火星漫游车还会改变策略，使出更高的技巧继续前进。只见它转动两个前轮，把前面的沙子推到肚子下，从而有效降低了斜坡的倾斜度。与此同时，它的后轮也开始摆动，这种动作把火星漫游车下面的沙土排出来并送到漫游车的后面。这样一来，漫游车就可以慢慢地爬上斜坡了。有科学家认为，也许未来的漫游车会以这种设计为基础，该设计既可帮助火星漫游车征服火星上崎岖的沙地，也可帮助月球漫游车穿越月球两极附近的软土斜坡。

火星新秀来了

2020年，人们又迎来了一个新的火星窗口。2020年7月23日，我国第一个火星探测器“天问一号”踏上了前往火星的征程，它的计划是实现火星探测“绕、落、巡”的“三级跳”。这是一次“一举三得”的火星探测方式，起点高、效益高、挑战大。目前只有美国完成过“一举两得”的探火方式，即“落”和“巡”。如果此次任务圆满完成，我国将在深空探测能力上实现跨越式发展，成为世界上第三个探测器在火星上着陆和第二个探测器在火星上巡视的国家。在这“三级跳”的任务中，“巡”就是将一部火星漫游车发送到火星上，并通过火星车的“巡视”来研究这颗红色星球。

通常，火星漫游车的着陆点是要经过仔细挑选的。因为除了要适合火星漫游车的巡视外，人们还要考虑它的探索价值。我国漫游车将降落在火星北半球的乌托邦平原上。乌托邦其实是一个巨大的盆地，可能由剧烈的撞击事件所致，呈扇形且地势低洼，有利于水的储存，也是火星上最大的平原，直径达3200千米。研究显示，这里的地下是一个巨大的水冰储存区，其含水层由大量水冰和少量石块等组成，通常是漫游机器人找水的理想场所。

然而，找水只是我国火星漫游车肩负的诸多工作中的一项。“天问一号”的火星之行是一次综合性的火星考察，它的环绕器携带了7台科学载荷，火星漫游车则携带了6台科学载荷，分别是火星表面成分探测仪、多光谱相机、地形相机、火星车次表层探测雷达、火星表面磁场探测仪和火星气象测量仪。火星漫游车到达目的地后，将作为这次火星探测行动的重要组成部分，参与火星的全面科考。

前文曾提到，火星上环境恶劣，尘暴肆虐。但尘暴的发生机理一直未能真正解开，因为它是与火星大气活动等诸多因素密切相关的。同时，在火星上防范和预测尘暴更是非常困难，因为人类对火星天气的数据采集十分有限，所以在火星上进行“天气预报”是很不容易的。然而，随着人类对火星探测活动的日益频繁，预测火星天气，例如火星尘暴的发生，已经显得越来越重要了。为此，我国的火星漫游车携带了“火星气象测量仪”，目的就是开展火星气象领域工作。这部仪器将测量火星的大气温度、压力和风力，收集足够的气象数据，开展火星气象研究。

除此之外，这部火星漫游车还要从事包括火星形态、地质学、矿物学、空间环境、土壤和水冰分布等其他很多方面的科学考察。它在火星上的活动能力和生存能力必须经受得住火星上严酷环境的考验。为此，科学家们为它设计了尽可能强劲持久的动力系统，它的太阳能电池板拥有很高的光电转换效率，其中有一种被称为“集热窗”的设备可以直接吸收太阳能。在其他方面，科学家们也进行了周密考虑，其目的就是让这个火星漫游机器人尽可能强悍一些、能干一些、智慧一些。

按照计划，我国的火星车将在火星表面工作90多天。在这期间，它将用其搭载的科学载荷开展勘测地形地貌、探测火星土壤结构、分析火星表面成分等诸多科学探测工作，并将图像传回地球，这得益于位于火星车桅杆顶端的全景相机和识别矿物质成分的多光谱相机。

总之，火星漫游机器人抵达火星后都是非常忙碌的，它们的工作涉及方方面面，面临的问题也是林林总总，它们是火星上的科学英雄。目前“天问一号”正在飞往火星的征途上。假若着陆成功，我国的火星漫游機器人将首次行走在火星这颗红色的星球上。让我们一起祈祝它一举成功吧！