2020年7月30日，NASA堅(jiān)毅號(hào)火星車搭乘宇宙神V-541火箭，從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空[1]。繼阿聯(lián)酋的希望號(hào)、中國(guó)的天問一號(hào)之后，本屆火星賽季最后一位選手，奔赴火星。
搭載堅(jiān)毅號(hào)的宇宙神V-541火箭點(diǎn)火升空。來源：NASA
從各個(gè)角度來說，堅(jiān)毅號(hào)身上都滿是前輩好奇號(hào)的影子，無論是外形、降落方式，還是探測(cè)目標(biāo)、科學(xué)儀器，無不彰顯著自己好奇號(hào)Pro的氣質(zhì)。而好奇號(hào)作為一個(gè)已經(jīng)馳騁火星近8年的super star，它的繼任者自然也給了我們?cè)S多難以言說的親切感，仿佛一位認(rèn)識(shí)很久的老朋友，在娓娓展示著人類對(duì)火星的探索是如何薪火傳承的。
好奇號(hào) vs 堅(jiān)毅號(hào)，八年過去了。素材來源：NASA/JPL-Caltech
堅(jiān)毅號(hào)的目標(biāo)是繼續(xù)探索火星的地質(zhì)和氣候環(huán)境，尋找**火星過去的微生物痕跡。**相比于好奇號(hào)，堅(jiān)毅號(hào)升級(jí)和替換了哪些黑科技？
御風(fēng)而行
堅(jiān)毅號(hào)此行，最閃耀的明星可能是它攜帶的小型無人機(jī)靈巧號(hào)。
安裝在堅(jiān)毅號(hào)底部的靈巧號(hào)無人機(jī)。來源：NASA/JPL-Caltech
人類迄今為止有四種探測(cè)火星的方式：飛掠、環(huán)繞、著陸、巡視。（嘛…其他星球還有伴飛、采樣返回和載人探測(cè)，不過考慮到一般都是伴飛小天體，小天體自轉(zhuǎn)又很快，所以四舍五入也和繞飛差不多了）
飛掠（flyby）、環(huán)繞（orbiting）、著陸（landing）、巡視（roving）。改編自：CGTN [2]
而堅(jiān)毅號(hào)將嘗試為人類帶來新的探測(cè)方式：無人機(jī)探測(cè)。要知道別說是火星，人類在地球以外的任何其他星球上，都還沒有飛過無人機(jī)呢，這是開天辟地頭一遭。
用無人機(jī)探測(cè)其他星球有多么令人期待？在靈巧號(hào)還沒有真正在火星上測(cè)試飛行過的情況下，另一艘無人機(jī)任務(wù)，NASA的蜻蜓號(hào)已經(jīng)入選下界新疆界級(jí)任務(wù)，計(jì)劃于2026年前往土衛(wèi)六了。
蜻蜓號(hào)無人機(jī)在土衛(wèi)六上的工作假想圖。來源：NASA
但不同于有著稠密大氣的土衛(wèi)六或者有著一般般大氣的地球，火星的大氣可就太稀薄了?；鹦潜砻娲髿鈮簝H有地球的0.6%，在這樣的星球上開無人機(jī)，“飛起來”的難度要大得多。
而靈巧號(hào)的應(yīng)對(duì)之法也很直接：**自身盡可能輕小，槳葉盡量大，轉(zhuǎn)速盡量快。**整個(gè)靈巧號(hào)僅重1.8公斤，而槳葉總長(zhǎng)達(dá)1.2米，轉(zhuǎn)速高達(dá)2400轉(zhuǎn)/分鐘[3,4]。
嚴(yán)格來說，這是個(gè)共軸反槳直升機(jī)
作為測(cè)試機(jī)，靈巧號(hào)沒有攜帶任何科學(xué)儀器（相機(jī)分科學(xué)相機(jī)和工程相機(jī)的），工作時(shí)間也不長(zhǎng)：充電一天僅能滿血飛行約90秒，飛300米遠(yuǎn)（也不少了，好奇號(hào)一年也就能走3公里…）。但它需要驗(yàn)證在一顆遙遠(yuǎn)星球上保溫、充電、自主飛行、拍照等諸多技術(shù)，如果測(cè)試順利的話，甚至能為堅(jiān)毅號(hào)偵查地形和規(guī)劃路線。靈巧號(hào)計(jì)劃飛行1-4次。
如果靈巧號(hào)能成功完成測(cè)試，這將意味著人類探索其他星球的方式再次得到了拓展：探測(cè)器們將不僅能在固態(tài)星球上巡視馳騁，還將能在火星這樣的有大氣的星球上御風(fēng)而行，用無人機(jī)開拓我們的探測(cè)視野。
靈巧號(hào)工作想象。來源：NASA/JPL-Caltech
生命“神探”
為了探尋火星生命痕跡，好奇號(hào)最大的法寶是腹中的一套強(qiáng)大的有機(jī)物探測(cè)裝置，叫做火星樣本分析儀（Sample Analysis at Mars），簡(jiǎn)稱SAM（山姆）。機(jī)器臂采集到的火星固體樣品，會(huì)被送入“山姆”之中，經(jīng)過高溫分解檢測(cè)其中是否有復(fù)雜有機(jī)物。“山姆”是整個(gè)好奇號(hào)火星車上占體積最大，設(shè)計(jì)最復(fù)雜的儀器，也正是“山姆”相助，才讓好奇號(hào)在火星發(fā)現(xiàn)了多種噻吩（C4H4S）、芳香族和脂肪族復(fù)雜有機(jī)物。
火星樣本分析儀SAM及其內(nèi)部?jī)x器。來源：NASA
而堅(jiān)毅號(hào)則啟用了一套遠(yuǎn)程分析的儀器來探測(cè)有機(jī)分子和可能的生命痕跡——以名偵探“夏洛克·福爾摩斯”為名，這個(gè)儀器叫做夏洛克（全稱“拉曼和熒光掃描宜居環(huán)境、尋找有機(jī)物和化學(xué)物質(zhì)儀”，縮寫SHERLOC）。夏洛克安裝在堅(jiān)毅號(hào)機(jī)器臂前端，包括一個(gè)紫外激光拉曼光譜儀和一個(gè)昵稱“華生”的相機(jī)，可以協(xié)同工作，精細(xì)探測(cè)火星表面的礦物成分、有機(jī)分子和可能的生命痕跡[6]。
來源：NASA/JPL-Caltech
“夏洛克”的儀器標(biāo)定板也值得一提。許多送往火星的儀器都需要從地球帶去標(biāo)定物來校準(zhǔn)，同時(shí)這些標(biāo)定物在火星的極端溫度和輻射環(huán)境下逐漸發(fā)生的變化，也能幫助我們了解火星環(huán)境的影響。
感受一下夏洛克的標(biāo)定板大小。來源：NASA/JSC [7]
夏洛克攜帶了10件標(biāo)定物，其中最具話題性的當(dāng)屬火星隕石Sayh al Uhaymir 008的切片。這顆來自火星的隕石是人類1999年在阿曼沙漠找到的，而這次，堅(jiān)毅號(hào)要送它回家了。
火星隕石Sayh al Uhaymir 008的切片。不過不止夏洛克，堅(jiān)毅號(hào)的超級(jí)相機(jī)也攜帶了一塊火星隕石用于定標(biāo)，不過那塊要低調(diào)不少。來源：NASA/JPL-Caltech/PIA22245
除了火星隕石，夏洛克的標(biāo)定板中還有5種宇航服纖維和頭盔材料，這些材料在火星環(huán)境下性能如何，會(huì)如何老化，這些都關(guān)系到將來的宇航員登上火星時(shí)的安危。這是人類首次將宇航服材料送往火星[6]。
感謝微博網(wǎng)友們幫助漢化，這些個(gè)材料中文都是啥啊orz，陷入了知識(shí)的盲區(qū)…漢化自：NASA/PIA24033
仔細(xì)觀察夏洛克的定標(biāo)板，還能發(fā)現(xiàn)左下角（放聚碳酸酯材料的）那格寫著“貝克街221號(hào)”，真是偷偷把cue梗進(jìn)行到底的節(jié)奏呀。今后堅(jiān)毅號(hào)所在的地方，就是火星上的“貝克街221號(hào)”吧~
夏洛克的定標(biāo)板。來源：NASA/JPL/collectSPACE [8]
火星制氧
去掉了好奇號(hào)的樣本分析儀“山姆”（SAM），堅(jiān)毅號(hào)的“腹中”給另一個(gè)前所未有的儀器騰出了一點(diǎn)位置——火星原位制氧儀“莫克西”（Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment，MOXIE）。
（左）莫克西的位置和參數(shù)。（右）實(shí)物，就是這個(gè)金盒子！來源：NASA/JPL-Caltech
莫克西從火星大氣中收集二氧化碳，電解為氧氣和一氧化碳，對(duì)氧氣進(jìn)行提純之后，將一氧化碳和其他產(chǎn)物排回大氣中。
莫克西制氧原理。根據(jù)NASA資料簡(jiǎn)化制作
火星大氣約96%的成分是二氧化碳，而將來登陸火星探測(cè)甚至長(zhǎng)期生活的人類更需要的，是賴以生存的氧氣。如果能直接利用火星的二氧化碳來制備氧，那么將來的人類就不用千里迢迢從地球帶液氧來火星，而是可以直接在火星生產(chǎn)氧，供日常呼吸和推進(jìn)劑之用。想想就是一件激動(dòng)人心的事！
讓《火星救援》里的生保系統(tǒng)成為可能。來源：電影《火星救援》
莫克西這個(gè)縮寫也別有深意，MOIXE意為“勇氣、大膽、堅(jiān)韌、富有冒險(xiǎn)精神”，這也是NASA對(duì)這個(gè)探索性儀器寄予的期望。
NASA還順便cue了一款叫做MOXIE的蘇打飲料品牌，2018年被可口可樂公司收購(gòu)。來源：維基
強(qiáng)勁“手臂”
相比于好奇號(hào)，堅(jiān)毅號(hào)在外形上最大的調(diào)整是把更多重心放在了機(jī)器臂上?？梢哉f，堅(jiān)毅號(hào)將是目前的火星車?yán)镒顝?qiáng)的“獨(dú)臂大俠”。
堅(jiān)毅號(hào)的機(jī)器臂。來源：NASA/JPL-Caltech
除了好奇號(hào)就有的鉆頭和相機(jī)，堅(jiān)毅號(hào)還把自己7大儀器中的2個(gè)都安裝在了機(jī)器臂前端：一個(gè)是上一節(jié)提到的生命神探“夏洛克”，另一個(gè)則是可以探測(cè)巖石超精細(xì)化學(xué)組成的X射線熒光光譜儀（The Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry，縮寫PIXL）。
PIXL的另一層含義是“像素”（pixel）的諧音，用以表現(xiàn)這個(gè)儀器將會(huì)如何“明察秋毫”。它不僅能探測(cè)出巖石含有的成分，還能像素級(jí)還原清晰地拍攝出這些成分的排列方式。
（左）PIXL傳感探頭；（右）PIXL相比于其他探測(cè)元素的儀器（如好奇號(hào)攜帶的APXS）的優(yōu)勢(shì)。來源：NASA/NICOLAS MICHEL-HART, UNIVERSITY OF WASHINGTON
PIXL和夏洛克雙劍合璧，可以幫助我們探測(cè)到火星上更可靠的疑似微生物遺跡。
暈了沒？沒暈走兩步？| 來來來再捋一下，以地球上最古老的生物化石之一——疊層石為例，PIXL可以探測(cè)這塊石頭里含有哪些元素以及元素的微觀排布，夏洛克可以探測(cè)這塊石頭里含有哪些礦物和有機(jī)分子。來源：參考文獻(xiàn) [9]
此外，堅(jiān)毅號(hào)還升級(jí)了鉆頭：不同于好奇號(hào)的鉆頭只能采集火星巖石和土壤粉末，堅(jiān)毅號(hào)的鉆頭可以直接采集完整的巖芯，這有助于將來的人類分析到“無損”的火星巖石樣品。這將是人類首次采集到火星的巖芯樣品。
（左）堅(jiān)毅號(hào)采樣示意圖；（右）巖芯鉆取示意圖。來源：NASA、參考文獻(xiàn) [10]
采樣返回先驅(qū)者
前輩好奇號(hào)探測(cè)火星生命的儀器“山姆”里，有一整套雙層旋轉(zhuǎn)木馬一般的“試管套裝”，這些“試管”，是好奇號(hào)分析樣品的化學(xué)實(shí)驗(yàn)杯。
堅(jiān)毅號(hào)依然攜帶了一套“試管”，但這些“試管”只用于封裝鉆頭采集的火星樣品。
堅(jiān)毅號(hào)的樣品收集管。來源：NASA、參考文獻(xiàn)[9]
是的，堅(jiān)毅號(hào)此行完全放棄了好奇號(hào)甚至海盜號(hào)那樣通過機(jī)器臂直接采集和接觸式分析樣品的模式，而是只負(fù)責(zé)樣品的采集和封裝。
之后，堅(jiān)毅號(hào)會(huì)把樣品管轉(zhuǎn)移到指定地點(diǎn):
第二站是樣品緩存站，如果后續(xù)還有拓展任務(wù)（虛線部分），那么拓展任務(wù)采集到的樣品還會(huì)再折返送回緩存站。來源：NASA
留待將來的火星任務(wù)拾取和送回地球，給人類親手研究：
火星采樣返回任務(wù)示意。來源：NASA/JPL-Caltech
擁抱未來
作為手握人類全部八次成功的火星著陸探測(cè)榮譽(yù)稱號(hào)的選手（蘇聯(lián)還有一次成功著陸但沒能順利開展工作的，算…半次吧），NASA對(duì)火星探測(cè)毫無疑問有著最多經(jīng)驗(yàn)，也走在最前沿。既帶著前輩們的經(jīng)驗(yàn)，又有著最雄厚的資金投入，價(jià)值24億美元的堅(jiān)毅號(hào)火星車顯然還有太多細(xì)節(jié)值得深挖和學(xué)習(xí)，這不是一兩篇文章能講完的，有機(jī)會(huì)我們?cè)僬归_講講。
例如，堅(jiān)毅號(hào)直接把好奇號(hào)原有的桅桿相機(jī)（Mastcam）和化學(xué)相機(jī)（ChemCam）升級(jí)為可縮放的桅桿相機(jī)（Mastcam-Z）和還能分析礦物和分子、拍攝彩色照片的超級(jí)相機(jī)（SuperCam）。
堅(jiān)毅號(hào)的7大儀器。來源：NASA/JPL-Caltech
堅(jiān)毅號(hào)和我國(guó)天問一號(hào)火星車一樣攜帶了次表層雷達(dá)，兩個(gè)測(cè)地雷達(dá)將深入探測(cè)火星車沿途的地下淺表層結(jié)構(gòu)和水冰分布。從沒有過見識(shí)過巡視器測(cè)地雷達(dá)的火星，將一口氣迎來兩個(gè)。
堅(jiān)毅號(hào)的次表層雷達(dá)（RIMFAX）工作示意圖。來源：NASA/JPL-Caltech
堅(jiān)毅號(hào)攜帶了更多相機(jī)，足足有23個(gè)之多，渾身都是“眼睛”。
堅(jiān)毅號(hào)的相機(jī)分布。來源：NASA/JPL-Caltech [11]
堅(jiān)毅號(hào)在好奇號(hào)的基礎(chǔ)上更新了軟件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了更堅(jiān)固耐磨的車輪…
好奇號(hào)vs堅(jiān)毅號(hào)車輪。來源：NASA/JPL-Caltech
……
但總的來說，相比于升級(jí)裝備，探索更多科學(xué)謎題，堅(jiān)毅號(hào)顯然有更大的目標(biāo)，也更具開拓性——不執(zhí)著于用有限的資源獲得盡可能多的科學(xué)成果，不計(jì)較一時(shí)一地的得失，而是真正著眼于將來。不管是靈巧號(hào)無人機(jī)，還是莫克西制氧儀，都是本次堅(jiān)毅號(hào)的“試驗(yàn)任務(wù)”，它們最大的目標(biāo)是**驗(yàn)證技術(shù)的可行性，為將來的載人火星任務(wù)鋪路。**而采集巖芯、封裝火星樣品，更是把更多“發(fā)現(xiàn)”的機(jī)會(huì)留給了未來，或許，是十年后的人類。
7個(gè)月后
堅(jiān)毅號(hào)的火星之旅計(jì)劃在路上花費(fèi)約6個(gè)半月，途中進(jìn)行5-7次軌道修正。
堅(jiān)毅號(hào)計(jì)劃軌道。敲黑板復(fù)習(xí)一下，這個(gè)就是上期講的快速轉(zhuǎn)移軌道。來源：NASA/JPL-Caltech
一切順利的話，堅(jiān)毅號(hào)火星車將于2021年2月18日登上火星表面的杰澤羅（Jezero）撞擊坑。
（這里的“成功”僅按“成功著陸且順利開展探測(cè)工作計(jì)）
這是一個(gè)古老湖泊的遺跡，有著三角洲流水地貌、豐富的火山熔巖產(chǎn)物和礦物沉積，是行星科學(xué)家們精挑細(xì)選出的可能孕育生命和保存生命痕跡的環(huán)境。核電池加身的堅(jiān)毅號(hào)設(shè)計(jì)壽命1個(gè)火星年（約2個(gè)地球年），當(dāng)然，按照我們對(duì)以往NASA火星車的經(jīng)驗(yàn)來看，不出意外的話它實(shí)際會(huì)工作更久。
杰澤羅撞擊坑三角洲一帶豐富的沉積物：綠色是粘土礦物、黃色是橄欖石和碳酸鹽。MRO CTX影像和CRISM光譜圖像的疊加圖。NASA/JPL/JHUAPL/MSSS/Brown University
即使不談這些，光是7個(gè)月后的火星上空即將再現(xiàn)空中吊車黑科技這一項(xiàng)，想必早已讓很多朋友們激動(dòng)不已了。
空中吊車/空中起重機(jī)著陸，這曾是好奇號(hào)獨(dú)有的著陸方式，堅(jiān)毅號(hào)也將延用。NASA/JPL
更何況——還有NASA“帶著你的名字去火星”的傳統(tǒng)藝能呢！屆時(shí)，又會(huì)有1093萬個(gè)被裝在小小的芯片里的地球人名字，和堅(jiān)毅號(hào)一同登上火星表面了[12]。
名字都在這里。來源：NASA/JPL-Caltech
不過除了這些，堅(jiān)毅號(hào)此行還在火星車底盤左側(cè)安裝了一塊8×13厘米的鋁牌，畫面是代表醫(yī)學(xué)的阿斯克勒庇俄斯之杖頂起地球，其上是探測(cè)器飛出地球，去往更遙遠(yuǎn)的星球，意在致敬和感謝全世界的醫(yī)護(hù)工作者們?cè)谛鹿谝咔槠陂g的偉大奉獻(xiàn)，正是有ta們?cè)谑刈o(hù)地球，人類才能不斷探索更遙遠(yuǎn)的地方。
（左）堅(jiān)毅號(hào)攜帶的紀(jì)念鋁牌；（右）代表醫(yī)學(xué)的阿斯克勒庇俄斯之杖，這也是世界衛(wèi)生組織的logo中的元素。來源：NASA/JPL-Caltech/WHO
看見這塊鋁牌在哪里了么？
感謝全世界醫(yī)護(hù)工作者們。來源：NASA/JPL-Caltech/WHO
至此，本屆火星賽季三位選手（阿聯(lián)酋希望號(hào)、中國(guó)天問一號(hào)、NASA堅(jiān)毅號(hào)）已全部交卷，順利前往火星。明年2月，三國(guó)的“火星大考”將迎來各自的第一輪“成果驗(yàn)收”。讓我們一起期待吧。
參考文獻(xiàn)：
[1] NASA | Mars 2020 Launch Vehicle
https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/launch-vehicle/
[2] CGTN | Hi Mars: Humans' Mars odyssey
https://news.cgtn.com/news/2020-07-23/Hi-Mars-Humans-Mars-odyssey-SmbQK9Ppok/index.html
[3] https://www.nasa.gov/feature/jpl/6-things-to-know-about-nasas-ingenuity-mars-helicopter/
[4] https://mars.nasa.gov/technology/helicopter/
[5] NASA | NASA’s Mars Helicopter, Ingenuity (UHD Trailer)
https://www.youtube.com/watch?v=0RQWv1ybsjM&feature=youtu.be
https://mars.nasa.gov/resources/24935/nasa-mars-helicopter-ingenuity-animations/
[6] https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/
[7] https://mars.nasa.gov/news/8448/johnson-built-device-to-help-mars-2020-rover-search-for-signs-of-life/
[8] http://www.collectspace.com/news/news-072720a-perseverance-rover-martian-meteorite-return.html
[9] Williford, K. H., Farley, K. A., Stack, K. M., Allwood, A. C., Beaty, D., Beegle, L. W., ... & Hecht, M. H. (2018). The NASA Mars 2020 rover mission and the search for extraterrestrial life. In From Habitability to Life on Mars (pp. 275-308). Elsevier.
[10] Chu, L. E., Brown, K. M., & Kriechbaum, K. (2017, March). Mars 2020 sampling and caching subsystem environmental development testing and preliminary results. In 2017 IEEE Aerospace Conference (pp. 1-10). IEEE.
[11] https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/rover/cameras/
https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/rover/body/
[12] https://mars.nasa.gov/participate/send-your-name/mars2020/
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