简介

为何不将人送上火星

火星车的性能

火星探测车的规格

火星探测车内部

机器人探索火星

火星探测车通信

火星探测车一天的工作

简介

火星是太阳系中唯一勉强与地球相似的行星，也是除地球外唯一有可能进化出生命的行星（另外可能孕育生命的星球还有冰冻的木卫二，但它只是木星的一颗卫星，并不是行星）火星是人类在太阳系中有希望在不久的将来实现登陆、行走并以传统方式进行探索的唯一颗行星。

火星也是唯一可能被地球化而成为类似于地球的行星。

正是因为以上各种原因，人类已经向火星发射了30余艘不同的探测飞船。NASA（美国国家航空和航天局）的火星探测车“勇气号”和“机遇号”是火星比较近的两个造访者。2011年11月26日23时2分，“好奇”号火星车发射升空，随后顺利进入飞往火星的轨道，发射取得圆满成功。

为何不将人送上火星

最近的火星探测任务包括一对机器人探测车，称为火星探测车（MER）。为什么要把机器人送上火星而不是像探月那样直接把人送上去？我们尚不具备将人送上火星的能力。这种谨慎的态度不是没有理由的。首先也是最重要的原因在于我们探索火星的历史记录不容乐观——各国总共向火星发射了30多个探测器，但只有不到三分之一成功抵达了火星。这显然不是什么好的记录，它无法鼓励我们把机器人探测器换成人类，至少在我们提高成功几率之前是这样。

其次是成本。后文中我们会知道，目前将一公斤重的机器人送上火星需要花费约五十万美元的设计和发射费用，而机器人不需要考虑复杂的生命保障系统，也不用担心返回的问题——这将为飞行任务节省很大的重量。另外，机器人不需要在火星表面软着陆。而要将一个小组的人员送上火星需要至少45,000公斤重的飞船、装备、食物和水（例如，每一个人将需要408公斤以上的脱水食品）。按照每公斤五十万美元计算，则总共花费1,000亿美元。而实际上，载人探测任务的单位重量成本很可能要高于机器人任务，因为需要为乘员保留相当大的安全裕度。第三个原因来自工程上的挑战。例如，要实现载人探测，一个可能的情形是要从火星大气中生产回程的燃料。然而至今还未进行过任何相关的尝试，甚至还需要通过多次试验性探测飞行来验证这种想法。另外一个重要的考虑是，在如此漫长的任务中宇航员可能受到的太空辐射以及阻挡辐射的方法。在地球上，地磁场阻挡了大部分的辐射，而火星没有地磁场。

综合以上原因，人类近期还不会将人送上火星。但是我们仍然可以用机器人来代替作业。火星探测车（MER）机器人就是这种思路的体现。

实际上，保证探测车在到达火星以后仍然可以工作是火星探测任务中最棘手的一环。设想在没有任何减速措施的情况下，尝试将一台复杂的机器人从10层楼扔下却又要使它保持完好无损（或者换成一台普通的DVD播放机）。这比起将探测车送上另外一颗行星上来说简直是不值一提。

火星车的性能

20世纪70年代，NASA发射了一对“维京号”火星登陆器，当时所有的星际机器人都具有三个基本组成部分：

能够产生执行任务所需的能量

能使用传感器收集信息。

能将收集的信息传回地球。

维京号”火星登陆器拥有可以伸出机械手来铲土，但是它们不能移动。

NASA首次实现移动的突破是在1997年火星探路者任务中。那是一台小型的探测车（仅重11公斤），能够离开探路者探测器运行5米并查看周围的岩石。火星探测机器人是迄今为止在其他行星上实现成功着陆的最大的探测车。在这类任务中，NASA设计的MER机器人工作起来就像是一个机器人地质学家。探测车装载的仪器设备的首要目的是研究岩石。

以下是探测车的功能：

探测车能够利用自身的太阳能电池板发电并将其储存到电池中。

利用装在桅杆上的一对高分辨率照相机，探测车可以拍摄立体的彩色地形照片。

探测车上装有独立的热辐射光谱仪，该光谱仪利用桅杆作为潜望镜以获得热学数据。

科学家选择地表上的一点，探测车就可以移动过去。探测车是独立运行（自动驾驶）的，因为无线电信号在地球和火星间传播的时滞太长，不适合使用遥控操作。探测车的前部、后部和桅杆上的三对黑白摄像机能使探测车看清楚周围的状况并实现导航以避开障碍物。探测车有6个轮子，每个轮子配有一台发动机驱动探测车移动。

探测车的小机械臂上装有一台钻孔机，探测车可以用它在岩石上钻孔。这种钻孔机的官方名称叫岩石打磨工具（RAT）。探测车上有一个显微照相机，与钻孔机安装在同一机械臂上，科学家可以利用它来仔细观察岩石的微细结构。

探测车还有一台质谱仪，能够探测到岩石中含铁矿石的成分。质谱仪也安装在同一个机械臂上。

另外，机械臂上还装有阿尔法粒子和X射线分光计，用于侦测土壤和岩石放射的阿尔法粒子和X射线。根据岩石的这些性质能帮助确定它的成分。

探测车上三个不同的部位都装有磁铁。含铁砂粒会粘到磁铁上，这样科学家们就可以分别使用相机和分光计对它们进行观察和分析。

探测车上有三架不同的无线电天线，可以选择任意一个将所得数据传回地球

火星探测车的规格

要装下所有这些仪器设备、马达系统和发电器件要求探测车的尺寸很大——约有一台小型乘式割草机那么大。以下是相关数据1.5米高（包括上面的桅杆）

2.3米宽

1.6米长

174公斤重

最大速度：可能是30米/小时，每天最多行进100米。

全景照相机：

Pancam是一种多光谱的立体全景成像系统，包括两架置于桅杆上的数码照相机（位于火星地表上方1.5米处）。Pancam系统可以利用桅杆实现360度全方位和在正负90度的俯仰角下进行拍照。每个Pancam照相机使用一个有效成像面积为1024×1024的CCD监测器阵列。Pancam照相机有……一个16×16的视野。 造价：一共大约是8.2亿美元（两辆探测车）

用于设计/开发环节的6.45亿美元+用于Delta运载火箭及发射的1.00亿美元+用于探测操作的0.75亿美元

火星探测车内部

探测车的车身是一个叫做电子恒温箱（WEB）的封闭箱体。这个箱子的作用非常关键，因为火星表面温度在夜间会降低到零下100摄氏度。如果不采取任何保暖措施使温度维持在零度以上，则电池和很多电子原件都会停止工作。WEB箱是一种隔热箱，内含：

探测车的计算机中枢

锂电池

无线电及其放大装置

控制各种分光计等仪器的电子设备

基本上，所有无法抵御零下100度低温的器件都被置于恒温箱中。

恒温箱通过三种不同机制实现保温：

工作状态下的各电子模块本身可以产生热量。以计算机为例，它的功率为7瓦，所以产生的热量与一盏7瓦电灯泡相当。

计算机可以打开多个功率为1瓦的小型电阻加热器来提升温度。

八个放射球（二氧化钚）中的钚原子发生衰变时能产生热量。这些球非常小——只有豌豆大小。小球被防辐射合金包裹着，装在碳纤维盒子中。一旦运载火箭Delta中途炸毁，或者飞船重新返回了大气层，这些盒子能够保证小球不发生核泄漏。车载计算机

探测车使用的是一台BAE systems公司生产的RAD6000型计算机。其处理器与早期Macintosh计算机使用的老式PowerPC处理器在结构上几乎是完全相同的。从今天的标准来看，这种处理器的速度很慢，只有20兆赫，大约是今天普通台式计算机速度的百分之一。它有128KB的RAM内存，256KB的闪存，以及用于存储启动代码和操作系统的ROM。该机没有磁盘驱动器。

虽然这种计算机速度很慢而且非常昂贵（每台20到30万美元），但是它们有两大优点：

耐辐射，能够抵御火星上的太空辐射。

采用Wind River Systems公司的VxWorks（PDF）实时操作系统，这是一个非常可靠的系统。

这种计算机使探测车的可靠性远远高于普通的台式计算机。这样做的原因是要保证探测车不会出现任何数据丢失或错误的现象。

计算机帮助探测车进行能源管理、图像处理、发动机控制和仪器设备管理。另外还负责导航任务。探测车有3对共6台导航摄像机，每组摄像机得到的立体图像都要交由计算机处理。利用双目视觉算法，计算机能够辨认出视野中不同岩石的大小以及距离。利用这些信息，计算机可以绘制出包含附近所有障碍物的地图，并操纵探测车在移动时避开障碍物。

能源

探测车上装有1.3平方米的高效率太阳能电池板来提供电能。探测车首次展开时，电池板很干净。由于季节的原因，正午时分的太阳辐射非常强烈——以火星上的标准来说。电池板的高峰发电功率大约是140瓦特，也就是每天发电约0.9千瓦时（用这些电能可以维持一盏100瓦的照明灯泡工作9个小时）。换言之，每个火星日当中只有6个小时的太阳光的强度足够支持太阳能电池板工作。

太阳能电池板将产生的电能提供给耗电器件（计算机、发动机、岩石打磨工具以及无线电装置等等）。剩余的电能被储存进两块28伏、10安培小时的锂电池中。

机器人探索火星

让我们设想地球上的科学家选中了一块岩石，并命令探测车移动到足够近的位置使机械臂够得着目标。对于接下来发生的事，这篇Cornell News文章（2003年12月19日）进行了描述：

由于暴露于太阳、火星大气以及细微的火星尘埃下长达数十亿年，火星岩石上都覆盖了一层风化“外衣”，或称外表层。对此，“勇气号”和“机遇号”探测车携带的科学工具包中包括了岩石打磨工具（RAT）。岩石打磨工具使用一个带有金刚石钻头的自动磨削工具将岩石的风化外层磨掉，露出崭新的表面。

接触到岩石内部的原始部分对于解决以下两个问题是至关重要的：一是了解火星的地质历史；二是解决巴特利所宣称的“重大问题”，即这颗红色行星上是否曾经存在过水或者适合生命生存的环境？

这些重大问题的解决很可能要依靠一台很小的仪器：这种岩石打磨工具的重量只有0.68公斤，消耗的功率（仅30瓦）还不及大多数的电灯泡。其尺寸与一个可乐罐的大小相当。

岩石打磨工具位于探测车机械臂的前端（或称“手部”），同在那里的还有其他分析岩石的科学仪器、一台显微照相机、Mössbauer质谱仪和阿尔法粒子及X射线分光计。机械臂和人的上肢一样也具有肩关节、肘关节和腕关节，所以非常灵敏。工作时，岩石打磨工具被机械臂压在岩石的表面。

仅需两个小时，岩石打磨工具的磨削轮就可以从坚硬的岩石表面磨出一个直径和厚度均为两个5分镍币的圆孔。然后用两把刷子将孔中的岩屑扫干净，露出新鲜的表面以便近距离观察。

之后，照相机和分光计接手工作，透过磨削孔对岩石内部进行仔细的分析。为了让科学家了解岩石可能经历的风化过程，探测车还会纪录岩石打磨工具磨削岩石表层的时候三个马达的温度和实时数据。

火星探测车通信

探测车收集到的数据还需要传回地球。所谓的数据包括照片、光谱信息和系统状态信息等等。另外，地面上的科学家和工程师们也需要向探测车传送指令和软件升级等数据。探测车有三种不同的无线电来负责通信。

第一种是低能耗、低速的UHF无线电。这种通讯的连接方式使用低增益、全方向的天线。该天线不需要任何定向，能以较低的数据率把数据传回地球或传给人造卫星。这是一种“万不得已”时的通讯方式。

第二种是高速UHF无线电，负责和两颗已运行在火星轨道的卫星进行通讯——“火星奥德赛”和“火星全球勘测者”卫星。当一颗卫星出现在探测车上空时，探测车会把数据快速注入卫星，持续的时间大概为8分钟（每次卫星通过时）。探测车能以每秒128Kbit的速度发送数据，使用的无线电功率为15瓦。接着，当地球出现在卫星视野中时，卫星利用2.5米长的天线和100瓦功率的无线电设备再将数据传回地球。这就是大部分照片数据返回地球的方式。每天通过这些通道传回地球的数据可达10MB。最后是探测车上直径0.3米的定向（高增益）天线。当地球出现在探测车视野范围内时，探测车天线能追踪到地球并实现与地球上的科学家和工程师的直接通讯。由于地球与火星之间距离为3.22亿公里，所以通讯时会有20分钟的往返延时。探测车使用40瓦的无线电，每分钟只能传递12Kbit的数据。因为这是一种直接连接，所以NASA用它来向探测车发送指令和接收重要数据。然而，由于行星的排列以及无线电所需能量等原因，这种连接在一天当中的可用时间只有3个小时。

火星探测车一天的工作

通常在一天当中，每台探测车会向地球发送照片、仪器数据和状态数据。科学家根据当天及前一天的数据来做出相应的决策。然后科学家借助高增益天线，透过3个小时的直接通讯窗口，将指令发送给探测车。在接下来的20个小时内，探测车自行工作，包括执行指令并将数据传给上空的两颗卫星。探测车的指令可能是命令它前往一块新的岩石、磨削岩石、分析岩石、拍摄照片或者使用其他仪器搜集数据。在为期大约90天的时间内探测车和科学家们都将重复这样的工作模式。之后，探测车的能量开始衰竭。同时，火星和地球的距离将会越来越远，给通讯带来更大的困难。最后，当探测车没有足够能量或者距离太远导致无法通讯的时候，探测任务便宣告结束。