本文来自微信公众号：环球科学（ID：kexuedayuan），作者：环球科学，题图来自：视觉中国
2020年火星季的最后一位参与者也已入局。北京时间7月30日19时50分，在佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地，NASA“毅力”号（Perseverance）火星车搭乘阿特拉斯-5型运载火箭发射升空，成为继阿联酋的“希望”号火星探测器和中国的“天问一号”之后，又一个即将造访火星的探测器。按照计划，“毅力”号将于2021年2月18日在火星的杰泽罗陨石坑 （Jezero crater）降落。
美国从20世纪60年代，就开始了火星探测任务。截止目前，NASA的探测器已8次成功登陆火星。这次发射的毅力号更是被寄予厚望。这次探测任务共耗资24亿美元，在承接美国此前的火星探测任务（检测火星上的水、有机物等）的同时，毅力号也将搜寻火星上生命存在或曾经存在的证据，并将储存样本，等待搭乘未来的火星探测器返回地球。
此外，毅力号火星车的腹部首次携带了“机智”号火星直升机。如果机智号能在火星稀薄的大气中起飞，这也意味着人类将首次实现飞行器在其他星球的受控飞行。
杰泽罗陨石坑（Jezero Crater） 。图片由美国火星勘测轨道探测器拍摄。
降落与探测任务
此次毅力号火星车的登陆位点为杰泽罗陨石坑，而探测器在火星上准确软着陆一直都十分困难。此前，“好奇”号火星车在进入、下降和着陆（entry，descent and landing，简称EDL）的过程就经历了“恐怖7分钟”。在这次毅力号的着陆过程中，科学家采取最精密的火星地图和多项全新的EDL技术，来规避该过程中的危险。
利用火星勘测轨道探测器拍摄的图像，美国地质调查局的科学家已经绘制出了两幅地图：一幅精确标出了杰泽罗陨石坑中着陆点周围的危险区域（分辨率为每像素25厘米）；另一幅则是传统的地表结构图（分辨率为每像素6米），前者在此次毅力号降落过程中将作为主导地图。
在绕火星飞行时，飞行器将会拍摄登陆点的照片、测量与火星的距离，并将结果传给毅力号。在降落至火星的过程中，毅力号会快速拍照，通过距离触发技术（Range Trigger），评估与火星地面的距离，从而确定打开降落伞的时间。
随后，毅力号将通过另一项“地形相对导航”技术（Terrain-Relative Navigation，简称TRN），通过拍照将地形与保存的地图进行比较，确定降落点周围的环境，并躲开降落过程中可能遇到的陡坡和大型岩石。
毅力号上携带的科学装置概念图。图片来源：NASA/JPL-Caltech
毅力号准确降落后，将利用机械臂收集杰泽罗陨石坑中的岩石样本。杰泽罗陨石坑的直径为45千米，位于火星北半球伊希地平原的西部边缘。根据此前的观测数据，科学家认为大约在35亿年前，杰泽罗陨石坑曾经被水覆盖，形成一个湖泊。还有一些证据显示，湖水携带有杰泽罗陨石坑周围区域的沉积矿物质，形成了一个古河流三角洲，而这里可能曾有一些微生物生存。
毅力号携带了火星环境动力学分析器（MEDA）、X射线岩石化学行星仪（PIXL）和拉曼和荧光光谱仪（SHERLOC），这些仪器将帮助毅力号分析火星表面岩石、土壤的物理化学特征，寻找生命的遗迹，了解火星地质以及大气环境。
此外，相比于此前的火星任务，毅力号收集的样本将有望返回地球，供科学家研究。毅力号共搭载43个样本管，每一根样本管能装约15克的岩心样本。NASA希望在2026年启动收集任务，收集大约0.45千克重的样本。这些样本可能最早于2031年由NASA和欧洲航天局联合太空任务带回地球。而利用这些样本，科学家将能分析这个区域的形成和演化过程，搜寻生命可能的存在痕迹。
机智号火星直升机
机智号火星直升机。图片来源：NASA
此次火星探测项目的一大亮点是，机智号火星直升机将成首个在其他星球上飞行的飞行器。在登陆火星数月后，机智号将从毅力号的腹部卸下，在火星表面进行首次飞行试验，其飞行过程将被毅力号记录下来。若机智号能在真实的火星环境中试飞成功，将能指导后续的火星直升机研发。这些直升机将能在未来的探测任务中担任辅助角色，例如作为机器人侦察员，从上方勘测地形或作为独立科学飞行器来携带仪器。
机智号作为首次尝试，其研发过程面临诸多挑战。首先，由于火星的大气层密度仅地球大气的1%，极其稀薄，很难为直升机足够升力。其次，其降落在杰泽罗陨石坑的时间为2月份，此时该地区的气温极其寒冷，夜晚温度接近-90℃。
最终NASA喷气推进实验室设计出的机智号质量仅1.8千克，机身高0.49米。它含有4个特殊碳纤维制成的旋翼叶片，跨度达1.2米，其旋转速度能达到2400 rpm。它能依靠太阳能充电，其内部加热器也能让它在寒冷的夜晚保持正常的工作温度。此外，机智号上还装备有电脑、导航传感器以及两台照相机（一台彩色照相机，一台黑白照相机）。
2019年1月，机智号通过了最后一次飞行测试。机智号项目管理者、NASA喷气推进实验室的工程师MiMi Aung表示：“我们的研究团队已在地球上对机智号进行了各种测试，我们期待它能在真实的火星环境中完成飞行试验。”
助力人类登陆火星
此外，毅力号还将着眼于未来，开展一些有助于将来人类登陆火星的实验。其中，一个汽车电池大小的仪器（MOXIE）将用来测试将火星大气中含量高达96%的二氧化碳转化成氧气，以供火箭推进器燃烧和为宇航员提供氧气。毅力号还携带将来作为火星宇航服的材料，以检测它们是否能承受火星的严酷环境。根据NASA的判断，他们将最快在本世纪30年代后，将宇航员送上火星。
而搭乘毅力号的“乘客”还包括将近1100万人签名的硅片，以及一块显示地球和火星分别位于太阳两边的小牌，上面印着用莫尔斯电码写成的“让我们一同探索这无垠深空”（Explore As One）的信息，还有向在这场疫情前线工作的医务工作者致敬的一块纪念匾。
重返火星的陨石
此次随“毅力”号登上火星的，还有一个特殊的物体——一块重返火星的火星陨石碎片。这枚硬币大小的陨石碎片来自名为Sayh al Uhaymir 008（简称SaU 008）的火星陨石。1999年，人们在阿曼的沙漠中发现了SaU 008，此后SaU 008一直在英国自然历史博物馆中展出。SaU 008由玄武岩构成，对其化学成分、陨石中气泡成分等分析都显示，这枚陨石来自我们的近邻——火星。
SaU 008的一部分（图片来源：NASA/JPL-Caltech）
据“毅力”号团队成员、英国自然历史博物馆的地球科学馆藏主管Caroline Smith教授介绍，SaU 008诞生于4.5亿年前。在大约7000万~6000万年前，一次小行星或陨石撞击将其撞离火星。经过漫长的太空漫游，大约1000年前，SaU 008降临地球。现在，它即将跟随“毅力”号重返数千万年前的家园。所以问题来了：为什么NASA科学家要把SaU 008带回火星？
在这次火星探测任务中，SaU 008有着重要的科学意义。在“毅力”号装配的科学仪器中，“SHERLOC”是至关重要的一环。SHERLOC原意为“通过拉曼光谱扫描宜居环境中的有机物及其他化合物”，这套仪器安装在“毅力”号的机械臂上，由荧光光谱仪、激光和照相机组成。SHERLOC可以发射高精度的激光照射火星地表的岩石样本，从而获取其矿物组成、有机物以及可能的生命迹象等特征。
SHERLOC发射激光的分辨率可以达到50微米，相当于一根头发的直径。对于如此高精度的仪器，任何温度变化、火星车所处地形的变化，都有可能影响到测量结果。因此，观测之前的仪器校准就显得至关重要。通常，SHERLOC需要首先用激光照射某种成分已知，并且与火星岩石尽量接近的物体——如果数据准确无误，那么说明SHERLOC工作状态正常，可以继续检测火星岩石样本。
在准备此次火星探测任务时，NASA团队想到，既然要找与火星成分接近的物体，那么与其在地球上寻找其他岩石，为什么不直接用源自火星的陨石呢？于是，他们找到了坚硬、不易断裂的SaU 008陨石。就这样，SaU 008以一种意料之外的方式重返诞生地，并且为人类的火星探测任务作出自己独特的贡献。
参考链接：
https://www.cbsnews.com/news/nasa-mars-spacecraft-perseverance-rover-ingenuity-helicopter/
https://mars.nasa.gov/mars2020/mission/science/landing-site/
https://mars.nasa.gov/mars2020/timeline/landing/entry-descent-landing/
https://www.livescience.com/museum-returns-meteorite-to-mars-persverance.html
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