天问·探路火星｜美国火星探测：成果丰硕，依然领跑

【编者按】

7月23日，中国“天问一号”火星探测器顺利入轨，开始奔赴火星。

今年是火星探测的大年，阿联酋、中国、美国三国将先后向火星发射探测器。作为离地球较近且环境最相似的星球，火星一直是人类深空探测的热点，尤其是冷战结束后，火星探测不再是美苏的专利，越来越多的国家加入这一行列。接下来，澎湃新闻（www.thepaper.cn）推出系列文章，呈现各国或组织火星探测的现状及未来。

美国在火星探测领域可谓一骑绝尘，继“好奇”号火星车、“美文”号轨道器和“洞察”号着陆器后，“毅力”号火星车将在7月30日发射，踏上奔向火星的征程。“毅力”号火星车之后，美国宇航局局还将进一步实施火星取样返回项目，这将是人类火星探测历史上的空前壮举。

火星探测，美国独大

美苏冷战时期开展航天竞赛，载人登月美国大获全胜，行星探测美国也大占优势。火星探测领域，美国的“水手”9号率先进入火星轨道，“海盗”1和“海盗”2号先后着陆成功，取得了丰硕的探测成果。冷战结束后，我们熟知的“勇气”号和“机遇”号火星车也是收获颇丰，“火星勘测轨道器”（MRO）还拍摄了高清图。

目前，美国2001年发射的“火星奥德赛”和“火星勘测轨道器”仍在发挥余热，其中“火星奥德赛”仪器用于探测火星表面物质成分，发现火星可能有水，它现在继续作为火星着陆器和火星车的通信中继站，“勇气”号和“机遇”号火星车的数据主要就是通过它中继传回地球。

“毅力”号计划在7月30日发射

“火星勘测轨道器”最核心的载荷是高分辨率相机，拍摄火星表面时分辨率最高可达0.3米，它拍摄了火星大量高分辨率照片，不仅找到了火星表面存在液态水的证据，而且找到了欧空局着陆失败的“小猎犬”2和“夏帕雷利”号着陆器，它的通信中继能力也有很大提高，是现在“好奇”号火星车通信中继的绝对主力。美国最新发射的“美文”号轨道器运行了7年时间，它专注观测火星大气尤其是大气逃逸现象，研究火星大气逃逸流失的情况和机制，此外也具备通信中继能力。

目前，火星轨道上有6个轨道探测器，而美国就占了3个，另外三个分别是欧空局的“火星快车”、微量气体轨道器和印度的“曼加里安”号。美国在火星表面探测的领先优势更大，如果不算苏联火星3号那个落地后通讯时间只有20秒的着陆器，火星着陆器和火星车完全是美国一家独大。美国2011年发射2012年着陆的“好奇”号火星车是一部重量约900千克的大型火星车，使用了高性能的钚-238核电池（RTG），火星夜晚和沙尘暴期间也能正常供电，这赋予了该车连续行驶能力和机动能力。

“好奇”号火星车自拍照

“好奇”号火星车装有多部相机以及火星样本分析仪、火星化学和矿物分析仪、阿尔法粒子X射线分光计等多种探测仪器，是一个当之无愧的火星表面移动实验室。“好奇”号火星车在盖尔陨石坑中发现了火星远古时代水流冲刷留下的圆滑岩石，证明火星早期存在大量的液态水，它对火星土壤的分析还发现，火星表面土壤存在相当丰富的水，即使在盖尔陨石坑这样的赤道区域，土壤中居然也有2%的水。“好奇”号还确认了火星表面存在甲烷气体，火星表面的甲烷无法长期存在，甲烷是如何生成的，是不是某种微生物活动的迹象，引起了人们极大地兴趣。

即将发射的“毅力”号火星车曾被命名为火星2020，它的车体和“好奇”号大同小异，但根据科学任务需求的不同，安装了更先进和更强大的探测载荷，将进一步加深我们对火星的了解和认识。

“毅力”号火星车仍将继续在火星表面寻找水和生命的迹象

联合取样，“毅力”先行

“毅力”号（Perseverance）火星车是美国火星探测的旗舰级任务，它在美国火星探测中将起到承上启下的作用。所谓承上指得是它继承了“勇气”号和“机遇”号，尤其是“好奇”号火星车的辉煌探测史，启下作用体现在它是美国未来火星探测的基础，因为它本身就是雄心勃勃和规模宏大的火星取样返回计划（MSR）的一部分。

“毅力”号火星车仍将继续在火星表面寻找水和生命的迹象，并对火星土壤和岩石的成分进行分析。毅力号火星车携带了名为Mastcam-Z的桅杆变焦立体相机，它不仅能绘制火星表面的全景图，还能用于火星车导航，以及选择有价值的火星土壤和岩石，Mastcam-Z并非“毅力”号唯一的相机，它还装有专用导航相机以及前后避障相机等总共23部相机，其中它的桅杆顶端装有超级分析相机（SuperCam），这是“好奇”号火星车上ChemCam的升级版，包括两个激光和四个光谱仪，能通过远距离成像对火星岩石进行化学成分分析，近距离上则是机械臂顶端特意安装的行星X射线岩石化学分析仪（PIXL），它专门用于精确分析岩石的化学成分。“毅力”号火星车还装有生命迹象探测设备SHERLOC、火星环境动力学分析仪MEDA，火星地下实验雷达影像仪RIMFAX等先进设备，在火星表面对土壤岩石以及大气进行研究，判断火星远古是否存在宜居环境，现在是否仍有生命迹象。

“毅力”号火星车携带了一部旋翼无人机，这是一个创新设计

“毅力”号火星车重量增加到1050千克，它不仅是“好奇”号的加强版，而且还是火星取样返回任务的第一步。“好奇”号和“毅力”号虽然耗资巨大配有分析设备，但受限于体积重量和能源等诸多因素，分析设备的性能远不能和地面实验室相比，要想更好的对火星样本进行分析将样本送回地球是最好的办法。美国和欧空局联合实施的火星取样返回任务中，“毅力”号承担了样本取样的工作，“毅力”号机械臂的钻头包括取芯、风化层和磨砂三种类型，前两种用于钻取火星表面岩石或风化层的样本，将其收集到样品收集管中。“毅力”号携带了43个样品收集管和5个对照管，并有小型机械臂进行收集管的转移和封装，这些收集到的火星样本收集管将有一部分直接放置到火星表面，另一部分由“毅力”号火星车携带。2026年欧空局发射取样返回着陆器（SRL），它带有一个小型火星车用于取回毅力号火星车放置到火星表面的样本收集管，或和“毅力”号汇合转移收集管，着陆器还带有一个火星上升飞行器（MAV），它将把火星车带回的样本送入火星轨道，和地球返回轨道器对接后转移样本，让轨道器将火星样本送回地球，完成复杂而艰巨的火星取样返回任务。

“毅力”号火星车携带了一部旋翼无人机，这个独具一格的创新性迷你无人机并没有任何科学载荷，只是另一个星球上旋翼飞行的首次尝试。“毅力”号还携带了一个极具工程价值的设备，即火星试验性氧气原位资源利用（MOXIE）。SpaceX公司的星舰计划使用火星大气制造返程所需的甲烷和液氧推进剂，“毅力”号的MOXIE就要首次实地验证这种就地取材方式的可行性。MOXIE将来再火星表面就地取材，用火星大气丰富的二氧化碳制造氧气，这样的试验如获成功，不仅能为未来载人火星任务提供维生的氧气，还能生产返回时所需的液氧推进剂，从而极大地降低载人火星任务的难度。