机遇号，你再也跑不动了吗？

2019-04-22迟惑

太空探索 2019年4期

文/迟惑

2019年2月14日，美国宇航局（NASA）宣布：机遇号火星车已经无法继续工作，这项持续了15年的计划正式宣告结束。在此之前的2011年9月，勇气号火星车也结束了自己的使命。这两辆火星车分别降落在火星的两侧，超额工作了很多年，成为人类迈向太空的重要里程碑。如果有一天人类抵达火星并且建立起殖民地，肯定会为它们建立起醒目的纪念碑。

关于“机遇号”的结构和功能，已经有诸多媒体进行过连篇累牍的报道。我们在这里讨论一些过去不为人们所关心的东西。

行走的麻烦

把一辆漫游车软着陆到外星球上，并不是很容易的事情。从现在的情况来说，掌握了这项技术的只有苏联/俄罗斯、美国和中国。苏/俄和中国只实现了月球着陆，还不曾在火星这种拥有稀薄大气层的星球上着陆。美国水平最高，不但3次把载人月球车随登月飞船一起送上月球，还4次成功地在火星软着陆了火星车。欧洲和其他航天国家都不曾做到过。

然而把漫游车降落到外星球只是第一步，让它长期行驶、工作才是漫长的考验。到目前为止，“机遇号”是在外星球持续工作时间最长的漫游车。它在行驶中遭遇的挑战也是最多、最大的，所取得的经验教训具有极大的价值。

走走停停

火星上没有马路，每一厘米的行进都是在越野。这对于喜欢户外的人可能是乐园，但对于没有人驾驶也没有办法救援的火星车来说，就是大麻烦。“机遇号”一共有6个车轮，为了提高越野能力，它采用了大行程的悬挂系统和独立的驱动电机，按理说是非常豪华的越野配置。但即使如此，“机遇号”的行驶还是遇到了很大的麻烦，它能坚持15年，真的可以算是奇迹。

“机遇号”采用的是一种半自主行驶方式。地面控制人员根据火星绕飞观测的图像，结合“机遇号”自己拍摄的图像，选定一些航路点，然后“机遇号”在两个航路点之间自主运行。这种模式是因为地球和火星之间距离漫长，距离最短时，无线电波从地球跑到火星也需要4分钟的时间。地面控制人员既不可能看到“机遇号”的实时图像，也不可能对它实时遥控。

▲ 15年间，“机遇号”走过了一条漫长曲折的路

▲ 这就是所谓的波纹地形，走起来很费劲

▲ “机遇号”的右前轮很早就坏了，只能歪着走

既然是越野，“机遇号”自然不能跑得太快，而且它可没有大排量发动机可以用。火星距离太阳比地球还远，太阳能电池的发电功率是非常有限的，所以“机遇号”想快跑也不可能。就在这走走停停之下，它在15年时间里只跑了几十公里，比乌龟还慢。不但如此，降落后没几年,“机遇号”的右前轮就出了问题，不能跑直线。这进一步降低了速度。

不过“机遇号”并不是去火星上飙车的，而是看风景的。走得太慢并不是问题，多数时候它是停在荒野里拍照，不需要飙车。而且，通过“机遇号”和“勇气号”的行驶，人们可以更加了解火星上的路况和驾驶注意事项，为后续火星车的研制积累知识和经验。

横跨波纹路

从上图中，我们可以看到“机遇号”在这15年里的行驶路径，它所经历的地形既有平原，也有起伏坡地。NASA把后一种叫做“波纹”，这是因为从空中看去，它就像水波一样。这种波纹地形是如何形成的？是不是曾经有过大范围的水系？抑或是尘暴的产物？目前还没有结论。但人们现在倾向于相信它是风吹的结果。

无论是平原还是起伏坡地，“机遇号”都要处理一个难题：有些地面覆盖着厚厚的尘土，有些地面却是裸露的岩石。这样会导致左右轮的阻力不一样，容易打滑和偏航。我们在地球上驾驶，也对这样的路况很是头疼，更何况在火星上。

“机遇号”在横跨波纹的时候，遇到了大麻烦。如果比较小的波纹问题还不大，如果波纹的波长超过了“机遇号”的轴距，就会同时发生淤陷和打滑的情况。这在“机遇号”爬坡和越过波峰顶部的时候最为明显。为了保证“机遇号”的顺利行驶，NASA的宇航工程师们只好恶补汽车越野知识。

求助车辆工程

我们知道，任何车辆在行驶当中，车轮和地面之间必须有足够的摩擦力，否则就会打滑。详细分析起来，车轮对地面的作用力可以分为法线方向和切线方向，如果是作用在坚实地面上，法线方向的力越大，切线方向的摩擦力就越大。切线方向的力不仅仅是摩擦力。泥土会嵌入轮胎的花纹，与轮胎之间产生剪切力。好几个轮子的很多道花纹上一起产生剪切力，就可以产生推动车辆前进的牵引力。嵌入花纹的泥土越宽厚、泥土本身强度越大，这部分牵引力就越大。反之，牵引力就越小。这就是越野轮胎的花纹比公路轮胎的更宽更深的用处。当然，如果泥土的强度太小，比如泥浆和沙子，嵌入花纹的泥土很容易就被剪断了，那就会发生打滑。

▲ “机遇号”着陆后，回头拍摄了自己的气囊

“机遇号”在火星上遇到的土壤就属于很容易被剪断的那一种。因为土壤里几乎没有水，因此颗粒之间像沙子一样没有附着力。车轮转动的扭矩稍微大一点，就把花纹里的泥土剪断了，车轮开始打滑。实际上，在有些行程当中，科学家们通过摄像机拍到的车辙，发现“机遇号”的某些轮子有58%的概率在打滑。在有些情况下，车轮淤陷深度达到5厘米之多，而车轮直径也不过25厘米。这是非常危险的事情。另外，在上坡的时候，“机遇号”的中轮和后轮承受的负荷更大，淤陷的危险也最高。地面控制人员有时候会把机械臂转向火星车的侧面，用摄像机来自拍车轮的情况。他们发现，车轮的轴心位置经常是糊满了沙土。在经过不同地点后，糊在车轮上的沙土质地还不一样，有时候粗糙，有时候细腻。但有一点是相同的，它们都把车轮上NASA的LOGO糊住了。

车轮如果连续打滑，就会把下面的土壤刨出一个坑来。有越野经验的人都知道，如果坑越刨越大，车轮完全淤陷进去，就得叫救援了。但是在火星上，哪里有救援可以叫？唯一的办法，就是不要让“机遇号”陷入这样的境地。

上世纪50年代，一位叫Bekker的科学家推导出了土壤剪切特性和承压特性的应力-应变公式。1978年，旅居加拿大的华人科学家J.Y.Wong又对公式进行了完善和发展。这个公式如今是松软地面行驶研究的基础。NASA的宇航工程师们跨领域学习了这个公式，为“机遇号”制定了更加合理的行驶模式。

当“机遇号”的右前轮在第433号航路点出现故障后，行驶成了更大的问题。由于这个车轮无法正常工作，“机遇号”再也不能走直线了，而是会向一侧偏8°左右。这时候，就需要用其他轮子的协调工作来纠正这个偏离。

不管怎么说，“机遇号”的行走机构在15年的时间里，在陌生的外星球上走过了几十公里的漫长道路。希望当人类终于登上火星的时候，它的车辙还没有被尘暴湮没。人们还有机会把它保护起来，作为人类进步的一个野外展示品。

水在哪里？

必须要知道，火星上有水的遗迹这件事并不是“机遇号”发现的。早在1971年，水手9号探测器就发现火星上有河床的遗迹。海盗1号和海盗2号探测器发现有一片地貌非常类似于浅河滩。火星全球勘测器发现有一片12000平方米的地区存在矿物富集现象，说明这里古代曾经有水。火星探路者着陆器则发现，着陆地点附近有大规模水流的痕迹。火星奥德赛则在火星上发现了一个大湖的遗迹，判断水量曾经比美国的密歇根湖还要大。凤凰号着陆器在自己的着陆地点分析了土壤和岩石，那里曾经有20厘米厚的冰。

然后就轮到了“机遇号”和“勇气号”。

“机遇号”刚刚降落没多久的2004年3月2日，NASA就发布消息，在一块岩石上，显微成像仪发现了黄钾铁矾的迹象。在类似成分的地球岩石上，黄钾铁矾的存在意味着它曾经长时间浸泡在水里。例如在地球上，黄钾铁矾在矿山排水区域附近，或在火山喷口附近很容易找到。因此，要形成黄钾铁矾，需要一个潮湿、氧化性、酸性的环境。但黄钾铁矾形成之后，如果当地依然潮湿，它就会分解成氢氧化铁。所以，“机遇号”发现的那部分黄钾铁矾一定是在远古时期形成的，然后水忽然消失了。

“机遇号”还确认了一处赤铁矿脉。按照人们的知识，赤铁矿一般是在水的作用下形成的。但“机遇号”的发现更为直接，在它发回地球的照片里，人们看到了奇异的景观：一些赤铁矿石呈现出细小的球状，还有一块球形矿石附着在岩体上。只有在水流冲刷和携带作用下，赤铁矿石才会变成这个样子。

▲ “机遇号”靠深空网与地球通信，这是堪培拉站

2006年，“机遇号”抵达了“持久”撞击坑附近，发现了一块50厘米长、2厘米宽的石膏矿。这是此前从来没有发现过的。在地球上，这样的岩层很常见，但它出现在火星上却令人非常激动——它是水流沉积的产物。

到2013年，“机遇号”还发现火星上有多处黏土矿的存在，这是在湿润气候下才会形成的。

然而我们可以发现，“机遇号”还是没有找到真正的水资源。

NASA每次发射火星探测器，每次发现有水的遗迹或者微量水，就在媒体上大规模宣传一番。这是按照“给纳税人一个交代”的逻辑做出的行为，虽然美国纳税人承认NASA确实没有乱花钱，但反复宣传有限科学成果，也让人有一种“狼来了”的疲惫。公众想要的，是立刻就能用来开发的庞大水源地。这恐怕是后续火星探测任务要重点发现的。既然火星地表没有水，那么比较好的预期，是能在火星地表下发现大规模的冰层。比较恶劣的结果，是火星上的水早就蒸发到了大气中，然后被太阳风吹进宇宙消失了。那样的话，人类必须找另外的办法来维持火星生活。

写信好辛苦

无论是“机遇号”把数据送回来，还是地面控制人员把指令发过去，都不是很容易的事情。在“勇气号”和“机遇号”任务启动之前，NASA曾经提出过火星中继通信的想法，也就是发射一颗通信卫星到火星轨道上。然而这个理念并没有真正实现，“机遇号”一度通过“火星奥德赛”和“火星全球勘测轨道器”实现了和地球之间的中继通信，但更多时候，“机遇号”用的还是美国的主力深空测控通信设施——深空网。这个由三组庞大天线群组成的测控网，是航天爱好者们非常熟悉的设施。

“机遇号”上装有三副天线。一副是低增益的全向天线，一副是定向的高增益天线，还有一副是全向UHF频段天线。当它在火星上工作的时候，采用X频段和地球通信。

因为距离遥远，“机遇号”的通信速率相当低。高增益天线在任务初期的最大下行速率也只是略微超过10000比特每秒。低增益天线的下行速率只有10比特每秒。

UHF频段并不是直接与地球通信的，而是通过“火星奥德赛”和“火星全球勘测轨道器”中继，速度要快得多。以“火星奥德赛”为例，当它正好飞过“机遇号”头顶的时候，通信速率可以超过100兆比特每秒！

“机遇号”在不同频段上的发射功率有所区别。在X频段上的射频发射功率只有16.8瓦。这个数字对地球静止轨道卫星通信来说还算不错，但是对于地球和火星之间通信来说就太可怜了。好在UHF频段信号不用跑那么远，用12瓦发射功率就可以和中继卫星之间实现高速通信。

考虑到火星探测是NASA的最高优先级目标之一，“机遇号”和“勇气号”用上了深空网最大直径的两种天线——34米和70米的大天线全都向它们开放。“火星奥德赛”的中继通信同样可以通过这两种天线进行。“火星奥德赛”上的存储器容量有限，划拨给“机遇号”和“勇气号”使用的只有260兆比特，“火星全球勘测轨道器”划拨给“机遇号”和“勇气号”的存储空间更少，只有77兆比特，所以要尽快把数据传回地球，才能清空内存。在任务早期，“火星奥德赛”向地球传输的速度一度达到110千比特每秒。但随着地火距离的增加，70米天线能接收到的数据率下降到40千比特每秒，34米天线下降到14千比特每秒。

“机遇号”的运行也证明，中继卫星的存在是极为必要的。如果没有它们的中继，“机遇号”拍摄的照片很难全都传回来。因此，NASA一度规划了专用的火星中继卫星，原本打算在2009年发射。但因为NASA的资金不多，有限的钱被“哈勃”维修、“机遇号”和“勇气”号延期运行、“好奇号”发射等项目耗尽了，这颗卫星研制计划在2005年下马。

尾声

“机遇号”任务的结束，标志着两台第一代火星车都完成了自己的任务。目前，“好奇”号火星车还在月球上运行，美国研制的火星生命2020、俄罗斯和欧洲联合研制的“罗萨林-富兰克林”都将在2020年发射，中国也打算研制和发射一台火星车。所有这些火星车，终极目的都是找到人类如何在火星上长期生存的资源和办法。如果移民活动正式开展，我们需要的就不是火星漫游车了，而是各种钻探车、采掘车、运输车、发电车、宿营车……在火星上铺铁路的可能性也不是没有呢。