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目標

MER的科學(xué)考察任務(wù)：

機遇號正在接近火星

搜索和辨識巖石土壤中的水活動跡象，從而分析水導(dǎo)致的礦化過程，如降水、大氣中的水蒸汽、沉積巖或熱液活動。

探測著陸區(qū)周圍的礦物分布。

探測形成當?shù)氐孛埠突瘜W(xué)成分的地質(zhì)活動，類似的過程可能包括水或風侵蝕、沉積、熱液活動、火山活動以及隕石撞擊。

校準確認[火星勘測軌道器]的地表觀測結(jié)果。從而確認火星軌道觀測的精度和有效性。

搜尋含鐵礦物，確認并定量分析含水或水形成礦物，如含鐵碳酸鹽。

通過巖石土壤的礦物學(xué)分析和紋理測定其成因。

尋找液態(tài)水存在時期的環(huán)境因素導(dǎo)致的地質(zhì)學(xué)線索。

評估火星環(huán)境能否支持生命的存在。

近20年，NASA開展了幾個任務(wù)搜尋火星生命，搜尋從檢測火星環(huán)境是否適合生命存在開始。人們所理解的生命形式需要水，所以火星歷史上是否有水存在至關(guān)重要。雖然火星探測漫游者沒有能力直接檢測生命存在與否，但它可以提供火星歷史上適居性的重要信息。

歷史

機遇號拋棄的熱護盾

赫斯本德山，以勇氣號全景相機拍攝的18幀照片拼接制成

2004年1月21日，深空網(wǎng)絡(luò)與勇氣號失去聯(lián)系。開始時以為是澳大利亞的雷暴氣候所致。勇氣號曾發(fā)出過一條不包含數(shù)據(jù)的消息。這天晚些時候勇氣號又未按計劃與與火星全球勘探者號軌道器通訊。第二天，噴氣推進實驗室收到勇氣號的信號，指出它正處于‘安全模式’。1月23日，飛行控制小組成功的讓火星車發(fā)出信號，發(fā)現(xiàn)問題是由火星車的閃存系統(tǒng)出錯所致。接下來的10天里，火星車沒有執(zhí)行任何科學(xué)任務(wù)，工程師們上傳并測試了軟件。經(jīng)過格式化閃存和用軟件升級補丁避免內(nèi)存過載，問題最終得到解決。機遇號同樣進行了升級。勇氣號于2月5日完全恢復(fù)科學(xué)功能 。

3月23日，科學(xué)家們在記者招待會發(fā)布了火星表面過去曾存在液態(tài)水的證據(jù)。一塊位于機遇號著陸地子午線平原隕石坑邊緣的巖石上的分層圖案和交錯層理說明此坑區(qū)域曾經(jīng)有水流過。氯和溴的不規(guī)律分布也說明此處曾是咸水海的海岸線，但早已蒸發(fā)殆盡。

4月8日，NASA提出延長任務(wù)周期3到8個月。并立刻得到了至9月份的一千五百萬美元和每月二百八十萬美元的預(yù)算。月底，機遇號以5天時間行駛200 米到達“奮進隕石坑”。NASA與9月22日提出再次延長火星車任務(wù)6個月。機遇號離開持久隕坑去觀察它拋棄的熱護盾，并前往維多利亞隕坑。勇氣號則試圖登上哥倫比亞山頂。

由于兩架火星車均工作正常，NASA又提出到2006年9月的持續(xù)18個月的延伸任務(wù)。機遇號前往“風化地帶”，勇氣號開始攀登“赫斯本德山”。2005年8月21日，勇氣號到達赫斯本德山頂，本旅程共計581火星日，行駛了4.81千米。

2005年11月20日，勇氣號迎來了它到達火星的周年慶典（669火星日，即687地球日），機遇號的周年慶是2005年12月12日。本來，計劃認為火星車無法持續(xù)工作超過90火星日，按火星車駕駛員Chris Leger的說法，哥倫比亞山只不過是個夢而已。

前往麥庫爾山期間，勇氣號的右前輪于2006年3月13日停止工作。駕駛員試圖把失效的輪子拖在后面，但只堅持到山坡下一處無法通行的沙地。駕駛員將勇氣號駛?cè)胍惶帯暗蜕郊贡茱L港”處過冬，等待春季太陽能水平增加到適合行駛的程度。9月，機遇號到達維多利亞坑邊緣。NASA延長任務(wù)至2007年9月。

2007年2月6日，機遇號成為首個在火星表面行駛10千米的航天器。機遇號準備于2007年6月28日進入維多利亞坑，但被塵暴耽擱。2個月后，勇氣號和機遇號恢復(fù)行使，沙暴導(dǎo)致的日照水平降低幾乎使火星車永久失效。2007年10月1日，兩架火星車進入了截至2009年的第五次延長任務(wù)。這使得火星車已經(jīng)持續(xù)5年探索火星表面。

2008年8月26日，機遇號開始趁電能充沛之際以3天時間爬出維多利亞隕坑，以免車輪像勇氣號一樣失效導(dǎo)致其不能離開隕石坑。機遇號將返回子午線平原探測多種多樣的巖石，其中一些可能是由形成維多利亞坑的隕石撞擊所噴射出來的 。至2009年1月，兩個火星車已經(jīng)發(fā)回250000幅圖像，旅行超過21千米。行駛3.2千米離開維多利亞隕坑后，機遇號于2009年3月7日‘看見’奮進隕坑的外緣。在古謝伏隕坑，勇氣號深陷入火星沙中。勇氣號和機遇號分別于2010年1月3日和24日迎來了到達火星六年慶。1月26日，在將勇氣號弄出沙地的嘗試失敗后，NASA宣布勇氣號將用于靜態(tài)研究平臺。NASA于2010年4月24日宣布，機遇號正前往奮進隕坑，自任務(wù)開始它已經(jīng)旅行20千米。每個火星車的設(shè)計里程只有600米。一周后，NASA宣布勇氣號將在冬季進入休眠。它可能無法再次喚醒。

航天器設(shè)計

2003年6月10日，勇氣號由德爾塔II運載火箭發(fā)射升空

MER與德爾塔II運載火箭

火星探測漫游者由德爾塔II運載火箭發(fā)射，每個航天器包含下列部分:

火星車，185千克

著陸器，348千克

背殼/降落傘，209千克

熱護盾，78千克

巡航級，193千克

推進劑，50千克

儀器，50千克

航天器全重1063千克。

巡航級

MER巡航級

巡航級用于從地球飛往火星。它同火星探路者的設(shè)計非常接近。包括載入飛行器大約2.65米直徑，1.6米高。 主構(gòu)架由鋁制成，外環(huán)覆蓋著太陽能電池板。太陽能電池陣列在地球附近能提供600瓦特電力，在火星提供300瓦特。 巡航級靠多層絕緣材料和加熱器為電子設(shè)備保溫，氯氟烴冷卻系統(tǒng)為火星車內(nèi)的飛行計算機和通信硬件提供冷卻以免過熱。巡航航空電子設(shè)備連接飛行計算機和其他儀器，如太陽傳感器、尋星器和加熱裝置。

導(dǎo)航

恒星掃描器（帶有備份系統(tǒng)）和太陽傳感器使航天器可以通過分析太陽與其他恒星確定空間位置。航天器在5億千米的旅程中可能偏離方向，因此共計劃6次軌道修正和健康程度檢測。為確保航天器到達火星上正確的著陸位置，2個輕質(zhì)鋁燃料箱攜帶了31千克聯(lián)氨推進劑。巡航導(dǎo)航控制系統(tǒng)通過連續(xù)點火和脈沖點火進行三種機動，以確保航天器方向正確：

一對推進器進行軸向噴射改變航天器速度；

使用2組側(cè)向“集束推進器”（每組包含4個推進器）進行秒長度的脈沖噴射控制偏航；

使用成對推進器進行脈沖點火控制進動（轉(zhuǎn)向）。

通訊

MER航天器使用高頻X波段無線電通訊。相對于S波段，X波段可使用小型天線，耗能也較低。導(dǎo)航信號通過低增益天線和中增益天線傳送，二者分別安裝于巡航級主構(gòu)架的內(nèi)環(huán)和外環(huán)。全向的低增益天線在地球附近使用，到達火星時轉(zhuǎn)用波束較窄的中增益天線。巡航期間，航天器進行自旋穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速為2RPM。天線和太陽能電池陣周期性的指向地球和太陽。

整流罩

MER著陸器整流罩

整流罩在飛行期間保護著陸器，并于著陸器一起構(gòu)成“再入飛行器”。整流罩的主要用途是隔離進入大氣層時的氣動加熱，從而保護著陸器。MER的整流罩基于火星探路者和海盜號的設(shè)計。整流罩部分由洛克希德馬丁建造。制造材料為石墨纖維樹脂復(fù)合材料表層包覆的鋁制蜂窩結(jié)構(gòu)。整流罩外側(cè)覆蓋了一層填充了燒蝕材料的苯酚蜂窩結(jié)構(gòu)，用于再入階段的燒蝕散熱。燒蝕材料由軟木、粘合劑和小石英玻璃珠構(gòu)成，這種材料于海盜號任務(wù)時發(fā)明，類似的技術(shù)也用于水星、雙子座和阿波羅載人航天任務(wù)。熱護盾和背殼使用同種材料制成，但熱護盾覆蓋有12.7毫米厚的燒蝕材料，背殼則油漆并覆蓋了鋁基PET（聚對苯二甲酸乙二酯）薄膜。再入飛行器進入大氣層后在大約1分鐘內(nèi)由19000千米/小時減速至1600千米/小時，著陸器要承受6g過載。

部件組成

整流罩由熱護盾和背殼組成。熱護盾是褐色的平碟形體，它在再入階段保護著陸器，并起到氣動剎車的作用。背殼呈錐形，攜帶著降落傘和其他著陸時需要的儀器設(shè)備。

降落傘

電子設(shè)備、用于擊發(fā)爆炸螺栓、火箭發(fā)動機、射傘槍等火工裝置的電池。

Litton LN-200慣性測量裝置(IMU)，用于監(jiān)控開傘后背殼的姿態(tài)。

三具稱為RAD(Rocket Assisted Descent)的固體減速火箭發(fā)動機，每具火箭發(fā)動機提供約1千牛頓的推力。工作約4秒。

三具較小的稱為TIRS的固體火箭發(fā)動機，在RAD工作期間提供小水平推力確保背殼保持垂直。

降落傘

MER降落傘在測試中

降落傘基于海盜號和火星探路者的設(shè)計，本任務(wù)所用的降落傘比火星探路者的降落傘大了40%。降落傘由聚酯和尼龍制成，傘繩由凱夫拉制造。 降落傘在距火星表面10千米高度釋放，熱護盾由6套爆炸螺栓和分離彈簧拋棄。然后著陸器從背殼上分離，懸掛在20米長的Zylon材料繩索下。由于火星大氣密度僅有地球大氣的1%，只靠降落傘無法使著陸器安全落地，RAD火箭發(fā)動機點火作最終制動，使航天器懸停在距地表10-15米高度上。安裝在著陸器上的雷達高度計控制RAD點火，然后切斷掛索釋放著陸器。雷達數(shù)據(jù)也用于啟動氣囊充氣。

氣囊

充氣后的氣囊（藝術(shù)概念圖）

MER氣囊與火星探路者所用的是同一類型。氣囊具有足夠的強度避免石塊戳刺或彈跳時破損。氣囊在接觸地面前充氣，安全停止在地表后排氣。氣囊以維克特綸制成，強度幾乎比凱夫拉等合成材料高兩倍。而且低溫性能更好。 氣囊共4組，每組4個子袋。所有氣囊連接在一起，以便吸收著陸時候的沖擊和保持彈性。氣囊沒有直接固定在著陸器上，而是用繩索穿插捆綁。繩子可以為氣囊塑形，也使充氣更加容易。氣囊靠三個氣體發(fā)生器充氣。

著陸器

勇氣號的著陸器，火星車已經(jīng)駛離

著陸器作為容器包裝火星車和氣囊裝置，使之免遭沖擊。著陸器呈四面體形，其側(cè)面可以像花瓣一樣展開。著陸器由石墨纖維管和鈦板制成?；鹦擒囉寐菟ü潭ㄔ谥懫骼?。著陸后火星車通過爆炸栓釋放。

火星車設(shè)計

MER火星車與火星探路者火星車

MER火星車是六輪，太陽能動力的機器人?；鹦擒嚫?.5米，寬2.3米，長1.6米。重180千克。每個輪子和懸掛系統(tǒng)可承重35千克。

動力系統(tǒng)

MER火星車有六個輪子，懸掛系統(tǒng)采用搖臂式。這種設(shè)計使火星車駛過不平坦的地面時每個輪子都能保持在地面上。MER每個輪胎都有自己的馬達，前輪和后輪各有獨立的轉(zhuǎn)向馬達?；鹦擒嚳梢詥右恢磺拜喭诰蛲寥??；鹦擒嚨淖罡咚俣葹?0毫米/秒。平均速度10毫米/秒。每行駛10秒，防護軟件會停車20秒觀察駛過的地形。

電力電子系統(tǒng)

2007年10月，勇氣號的太陽能電池板被火星塵土覆蓋

如果照明良好，每火星天至少4小時時間里，火星車的多結(jié)光伏電池 陣列可以產(chǎn)生140瓦特電力?；鹦擒囆枰?00瓦特電力行駛。電力系統(tǒng)有2個重7.15千克的可充電鋰離子電池，用來在夜間或者無日照時提供電力?；鹦擒囘\作一段時間后，電池將無法完全充電。未來的火星科學(xué)實驗室將使用波音生產(chǎn)的多任務(wù)放射性同位素熱電偶發(fā)電機（MMRTG）提供動力。 按原計劃，由于塵土覆蓋，90火星天后太陽能電池板產(chǎn)生的電力將減少至50瓦特。但實際上經(jīng)過3個地球年后，火星車每天仍可獲得300瓦特小時至900瓦特小時的動力。原因是“清潔事件”（沙塵被風吹走）發(fā)生頻率遠高于NASA的預(yù)計。2007年火星全球沙暴時，兩輛火星車均遭遇了動力短缺。機遇號僅可獲得128瓦特小時的能量。2008年11月，勇氣號的電力更跌落至89瓦特小時 。 MER火星車的計算機使用輻射強化的20MHz主頻的RAD6000CPU，內(nèi)存系統(tǒng)為128MB容量帶有錯誤校驗的動態(tài)存儲器和3MB容量電擦除可重寫式只讀存儲器以及256MB閃存，運行VxWorks實時操作系統(tǒng)。 MER火星車的儀器設(shè)備必須保持在-40攝氏度至40攝氏度的環(huán)境溫度中。夜間，火星車使用8個放射性同位素加熱元件加熱，每個加熱元件依靠放射性元素衰變可持續(xù)產(chǎn)生1瓦特熱能。必要時也可以使用電加熱裝置。保溫絕緣裝置由黃金鍍層和硅氣凝膠層構(gòu)成。

通訊系統(tǒng)

MER火星車擁有一個低增益天線和一個高增益天線。低增益天線可以全向收發(fā)，以低數(shù)據(jù)傳輸率向地球上的深空網(wǎng)絡(luò)天線發(fā)送信息。 高增益天線具有指向性，可以調(diào)整方向，以較高的數(shù)據(jù)傳輸率向地球傳送信息?；鹦擒囈彩褂玫驮鲆嫣炀€同火星軌道器（如2001火星奧德賽號號和火星全球探勘者號號）通訊。這些軌道器可以在火星車和地球之間中繼通訊。大多數(shù)中繼通訊經(jīng)由奧德賽號。火星軌道器使用UHF天線同火星車通訊。UHF天線通訊距離要短于低增益和高增益天線?；鹦擒嚭椭懫鞯幕ò杲Y(jié)構(gòu)上各裝有一個UHF天線，在著陸的關(guān)鍵時刻可以增加信息量。 火星車總共有9臺相機，拍攝生成1024 × × --> {\displaystyle \times } 1024像素分辨率，12位采樣每像素的圖像。大多數(shù)導(dǎo)航相機拍攝的圖像和圖標降采樣至8位每像素以節(jié)約內(nèi)存和傳輸時間。存儲和發(fā)送前，所有圖像數(shù)據(jù)以ICER壓縮。導(dǎo)航圖像、圖標壓縮到大約每像素僅占0.8到1.1位。低位率（低于0.5位/像素）用于多色全景相機波長定波長。 ICER基于小波變換，特別為深空探測任務(wù)設(shè)計。可以進行無損或有損的逐級壓縮。配合錯誤抑制機制，可限制深空傳輸?shù)臄?shù)據(jù)損失。ICER的性能要高于火星探路者應(yīng)用的有損JPEG壓縮和無損Rice壓縮。

科學(xué)儀器

全景相機 (Pancam)

巖石研磨工具(RAT)

阿爾法粒子X射線譜儀（APXS）(Courtesy NASA/JPL-Caltech)

火星車載有多種儀器，其中三種安裝為一個組件：

全景相機（Pancam），用于探測紋理、顏色、礦物學(xué)和地形地貌。

導(dǎo)航相機（Navcam），具有較大的視野，但分辨率較低，且為單色。用于導(dǎo)航和行駛。

用于小型熱輻射光譜儀（Mini-TES）的鏡子。用于近距離識別巖石土壤并檢測其形成過程。本儀器由亞利桑那州立大學(xué)制造。

這些相機安裝于高1.5米的全景相機桅桿組件上。桅桿在馬達驅(qū)動下可以水平旋轉(zhuǎn)一周。另一個馬達控制相機的垂直指向。第三個馬達控制Mini-TES的仰角，使之在水平以上30度至水平以下50度之間活動。 四個單色避險相機（Hazcams）安裝在火星車機體上，前后各2個。 儀器部署裝置（IDD），既機械臂上裝有下列設(shè)備：

穆斯堡爾譜儀(MB)，MIMOS II，由德國約翰內(nèi)斯·谷登堡大學(xué)的G?star Klingelh?fer博士研制。用于對含鐵巖石土壤進行近距離礦物學(xué)化驗 。

阿爾法粒子X射線譜儀（APXS）,由德國馬克斯普朗克化學(xué)研究所研制。用于近距離分析構(gòu)成巖石土壤的元素的豐度。

磁體，用于收集磁性塵屑微利。由哥本哈根玻爾研究所的Jens Martin Knudsen團隊研制。收集到的微粒由MB和APXS分析，以確定磁性粒子和非磁性粒子的比率以及空氣塵埃微粒和研磨產(chǎn)生的巖石微粒的成分?；鹦擒嚨那安恳惭b有磁體，用于MB進行較廣泛的研究。

顯微成像儀（MI）,用于獲得巖石土壤的近距離高分辨率圖像。由美國地質(zhì)勘探局天體地質(zhì)學(xué)研究計劃的Ken Herkenhoff團隊研制。

巖石研磨工具（RAT）,由蜜蜂機器人航天機械公司研制，用于磨去巖石的風化表面，暴露內(nèi)部物質(zhì)供車載儀器研究。

機械臂可以將儀器直接放置在研究目標上。

命名

勇氣號和機遇號的命名來自學(xué)生征文比賽，亞利桑那州三年級學(xué)生索菲·科里斯(Sofi Collis)贏得了比賽。

在此之前，研制中的火星車被稱為MER-1(機遇號)和MER-2（勇氣號）。按照登陸火星的順序，NASA也使用任務(wù)代號MER-A(勇氣號)和MER-B(機遇號)。

測試用火星車

噴氣推進實驗室維護了2輛火星車用于測試和模擬火星上的狀況。其中一輛重約180千克，裝有與勇氣號和機遇號一致的全套儀器。另一輛具有一樣的大小和行駛特性，但沒有安裝科研儀器，它質(zhì)量約80千克，很類似于火星車在火星的重力情況。2009年，勇氣號陷入沙坑事件用到了這些測試火星車。

參考資料

Portions of this article are adopted fromNASA/JPL MER article.

Additional information was adapted fromthe MER homepage

參見

火星探測

勇氣號

機遇號

太陽系探測器列表

《漫游火星》（Roving Mars），相關(guān)IMAX紀錄片。

相關(guān)鏈接

火星探測漫游者

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