機遇號，你再也跑不動了嗎？

文/遲惑

2019年2月14日，美國宇航局（NASA）宣布：機遇號火星車已經(jīng)無法繼續(xù)工作，這項持續(xù)了15年的計劃正式宣告結束。在此之前的2011年9月，勇氣號火星車也結束了自己的使命。這兩輛火星車分別降落在火星的兩側，超額工作了很多年，成為人類邁向太空的重要里程碑。如果有一天人類抵達火星并且建立起殖民地，肯定會為它們建立起醒目的紀念碑。

關于“機遇號”的結構和功能，已經(jīng)有諸多媒體進行過連篇累牘的報道。我們在這里討論一些過去不為人們所關心的東西。

行走的麻煩

把一輛漫游車軟著陸到外星球上，并不是很容易的事情。從現(xiàn)在的情況來說，掌握了這項技術的只有蘇聯(lián)/俄羅斯、美國和中國。蘇/俄和中國只實現(xiàn)了月球著陸，還不曾在火星這種擁有稀薄大氣層的星球上著陸。美國水平最高，不但3次把載人月球車隨登月飛船一起送上月球，還4次成功地在火星軟著陸了火星車。歐洲和其他航天國家都不曾做到過。

然而把漫游車降落到外星球只是第一步，讓它長期行駛、工作才是漫長的考驗。到目前為止，“機遇號”是在外星球持續(xù)工作時間最長的漫游車。它在行駛中遭遇的挑戰(zhàn)也是最多、最大的，所取得的經(jīng)驗教訓具有極大的價值。

走走停停

火星上沒有馬路，每一厘米的行進都是在越野。這對于喜歡戶外的人可能是樂園，但對于沒有人駕駛也沒有辦法救援的火星車來說，就是大麻煩。“機遇號”一共有6個車輪，為了提高越野能力，它采用了大行程的懸掛系統(tǒng)和獨立的驅動電機，按理說是非常豪華的越野配置。但即使如此，“機遇號”的行駛還是遇到了很大的麻煩，它能堅持15年，真的可以算是奇跡。

“機遇號”采用的是一種半自主行駛方式。地面控制人員根據(jù)火星繞飛觀測的圖像，結合“機遇號”自己拍攝的圖像，選定一些航路點，然后“機遇號”在兩個航路點之間自主運行。這種模式是因為地球和火星之間距離漫長，距離最短時，無線電波從地球跑到火星也需要4分鐘的時間。地面控制人員既不可能看到“機遇號”的實時圖像，也不可能對它實時遙控。

▲ 15年間，“機遇號”走過了一條漫長曲折的路

▲ 這就是所謂的波紋地形，走起來很費勁

▲ “機遇號”的右前輪很早就壞了，只能歪著走

既然是越野，“機遇號”自然不能跑得太快，而且它可沒有大排量發(fā)動機可以用?；鹦蔷嚯x太陽比地球還遠，太陽能電池的發(fā)電功率是非常有限的，所以“機遇號”想快跑也不可能。就在這走走停停之下，它在15年時間里只跑了幾十公里，比烏龜還慢。不但如此，降落后沒幾年,“機遇號”的右前輪就出了問題，不能跑直線。這進一步降低了速度。

不過“機遇號”并不是去火星上飆車的，而是看風景的。走得太慢并不是問題，多數(shù)時候它是停在荒野里拍照，不需要飆車。而且，通過“機遇號”和“勇氣號”的行駛，人們可以更加了解火星上的路況和駕駛注意事項，為后續(xù)火星車的研制積累知識和經(jīng)驗。

橫跨波紋路

從上圖中，我們可以看到“機遇號”在這15年里的行駛路徑，它所經(jīng)歷的地形既有平原，也有起伏坡地。NASA把后一種叫做“波紋”，這是因為從空中看去，它就像水波一樣。這種波紋地形是如何形成的？是不是曾經(jīng)有過大范圍的水系？抑或是塵暴的產(chǎn)物？目前還沒有結論。但人們現(xiàn)在傾向于相信它是風吹的結果。

無論是平原還是起伏坡地，“機遇號”都要處理一個難題：有些地面覆蓋著厚厚的塵土，有些地面卻是裸露的巖石。這樣會導致左右輪的阻力不一樣，容易打滑和偏航。我們在地球上駕駛，也對這樣的路況很是頭疼，更何況在火星上。

“機遇號”在橫跨波紋的時候，遇到了大麻煩。如果比較小的波紋問題還不大，如果波紋的波長超過了“機遇號”的軸距，就會同時發(fā)生淤陷和打滑的情況。這在“機遇號”爬坡和越過波峰頂部的時候最為明顯。為了保證“機遇號”的順利行駛，NASA的宇航工程師們只好惡補汽車越野知識。

求助車輛工程

我們知道，任何車輛在行駛當中，車輪和地面之間必須有足夠的摩擦力，否則就會打滑。詳細分析起來，車輪對地面的作用力可以分為法線方向和切線方向，如果是作用在堅實地面上，法線方向的力越大，切線方向的摩擦力就越大。切線方向的力不僅僅是摩擦力。泥土會嵌入輪胎的花紋，與輪胎之間產(chǎn)生剪切力。好幾個輪子的很多道花紋上一起產(chǎn)生剪切力，就可以產(chǎn)生推動車輛前進的牽引力。嵌入花紋的泥土越寬厚、泥土本身強度越大，這部分牽引力就越大。反之，牽引力就越小。這就是越野輪胎的花紋比公路輪胎的更寬更深的用處。當然，如果泥土的強度太小，比如泥漿和沙子，嵌入花紋的泥土很容易就被剪斷了，那就會發(fā)生打滑。

▲ “機遇號”著陸后，回頭拍攝了自己的氣囊

“機遇號”在火星上遇到的土壤就屬于很容易被剪斷的那一種。因為土壤里幾乎沒有水，因此顆粒之間像沙子一樣沒有附著力。車輪轉動的扭矩稍微大一點，就把花紋里的泥土剪斷了，車輪開始打滑。實際上，在有些行程當中，科學家們通過攝像機拍到的車轍，發(fā)現(xiàn)“機遇號”的某些輪子有58%的概率在打滑。在有些情況下，車輪淤陷深度達到5厘米之多，而車輪直徑也不過25厘米。這是非常危險的事情。另外，在上坡的時候，“機遇號”的中輪和后輪承受的負荷更大，淤陷的危險也最高。地面控制人員有時候會把機械臂轉向火星車的側面，用攝像機來自拍車輪的情況。他們發(fā)現(xiàn)，車輪的軸心位置經(jīng)常是糊滿了沙土。在經(jīng)過不同地點后，糊在車輪上的沙土質(zhì)地還不一樣，有時候粗糙，有時候細膩。但有一點是相同的，它們都把車輪上NASA的LOGO糊住了。

車輪如果連續(xù)打滑，就會把下面的土壤刨出一個坑來。有越野經(jīng)驗的人都知道，如果坑越刨越大，車輪完全淤陷進去，就得叫救援了。但是在火星上，哪里有救援可以叫？唯一的辦法，就是不要讓“機遇號”陷入這樣的境地。

上世紀50年代，一位叫Bekker的科學家推導出了土壤剪切特性和承壓特性的應力-應變公式。1978年，旅居加拿大的華人科學家J.Y.Wong又對公式進行了完善和發(fā)展。這個公式如今是松軟地面行駛研究的基礎。NASA的宇航工程師們跨領域學習了這個公式，為“機遇號”制定了更加合理的行駛模式。

當“機遇號”的右前輪在第433號航路點出現(xiàn)故障后，行駛成了更大的問題。由于這個車輪無法正常工作，“機遇號”再也不能走直線了，而是會向一側偏8°左右。這時候，就需要用其他輪子的協(xié)調(diào)工作來糾正這個偏離。

不管怎么說，“機遇號”的行走機構在15年的時間里，在陌生的外星球上走過了幾十公里的漫長道路。希望當人類終于登上火星的時候，它的車轍還沒有被塵暴湮沒。人們還有機會把它保護起來，作為人類進步的一個野外展示品。

水在哪里？

必須要知道，火星上有水的遺跡這件事并不是“機遇號”發(fā)現(xiàn)的。早在1971年，水手9號探測器就發(fā)現(xiàn)火星上有河床的遺跡。海盜1號和海盜2號探測器發(fā)現(xiàn)有一片地貌非常類似于淺河灘?；鹦侨蚩睖y器發(fā)現(xiàn)有一片12000平方米的地區(qū)存在礦物富集現(xiàn)象，說明這里古代曾經(jīng)有水?；鹦翘铰氛咧懫鲃t發(fā)現(xiàn)，著陸地點附近有大規(guī)模水流的痕跡。火星奧德賽則在火星上發(fā)現(xiàn)了一個大湖的遺跡，判斷水量曾經(jīng)比美國的密歇根湖還要大。鳳凰號著陸器在自己的著陸地點分析了土壤和巖石，那里曾經(jīng)有20厘米厚的冰。

然后就輪到了“機遇號”和“勇氣號”。

“機遇號”剛剛降落沒多久的2004年3月2日，NASA就發(fā)布消息，在一塊巖石上，顯微成像儀發(fā)現(xiàn)了黃鉀鐵礬的跡象。在類似成分的地球巖石上，黃鉀鐵礬的存在意味著它曾經(jīng)長時間浸泡在水里。例如在地球上，黃鉀鐵礬在礦山排水區(qū)域附近，或在火山噴口附近很容易找到。因此，要形成黃鉀鐵礬，需要一個潮濕、氧化性、酸性的環(huán)境。但黃鉀鐵礬形成之后，如果當?shù)匾廊怀睗?，它就會分解成氫氧化鐵。所以，“機遇號”發(fā)現(xiàn)的那部分黃鉀鐵礬一定是在遠古時期形成的，然后水忽然消失了。

“機遇號”還確認了一處赤鐵礦脈。按照人們的知識，赤鐵礦一般是在水的作用下形成的。但“機遇號”的發(fā)現(xiàn)更為直接，在它發(fā)回地球的照片里，人們看到了奇異的景觀：一些赤鐵礦石呈現(xiàn)出細小的球狀，還有一塊球形礦石附著在巖體上。只有在水流沖刷和攜帶作用下，赤鐵礦石才會變成這個樣子。

▲ “機遇號”靠深空網(wǎng)與地球通信，這是堪培拉站

2006年，“機遇號”抵達了“持久”撞擊坑附近，發(fā)現(xiàn)了一塊50厘米長、2厘米寬的石膏礦。這是此前從來沒有發(fā)現(xiàn)過的。在地球上，這樣的巖層很常見，但它出現(xiàn)在火星上卻令人非常激動——它是水流沉積的產(chǎn)物。

到2013年，“機遇號”還發(fā)現(xiàn)火星上有多處黏土礦的存在，這是在濕潤氣候下才會形成的。

然而我們可以發(fā)現(xiàn)，“機遇號”還是沒有找到真正的水資源。

NASA每次發(fā)射火星探測器，每次發(fā)現(xiàn)有水的遺跡或者微量水，就在媒體上大規(guī)模宣傳一番。這是按照“給納稅人一個交代”的邏輯做出的行為，雖然美國納稅人承認NASA確實沒有亂花錢，但反復宣傳有限科學成果，也讓人有一種“狼來了”的疲憊。公眾想要的，是立刻就能用來開發(fā)的龐大水源地。這恐怕是后續(xù)火星探測任務要重點發(fā)現(xiàn)的。既然火星地表沒有水，那么比較好的預期，是能在火星地表下發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的冰層。比較惡劣的結果，是火星上的水早就蒸發(fā)到了大氣中，然后被太陽風吹進宇宙消失了。那樣的話，人類必須找另外的辦法來維持火星生活。

寫信好辛苦

無論是“機遇號”把數(shù)據(jù)送回來，還是地面控制人員把指令發(fā)過去，都不是很容易的事情。在“勇氣號”和“機遇號”任務啟動之前，NASA曾經(jīng)提出過火星中繼通信的想法，也就是發(fā)射一顆通信衛(wèi)星到火星軌道上。然而這個理念并沒有真正實現(xiàn)，“機遇號”一度通過“火星奧德賽”和“火星全球勘測軌道器”實現(xiàn)了和地球之間的中繼通信，但更多時候，“機遇號”用的還是美國的主力深空測控通信設施——深空網(wǎng)。這個由三組龐大天線群組成的測控網(wǎng)，是航天愛好者們非常熟悉的設施。

“機遇號”上裝有三副天線。一副是低增益的全向天線，一副是定向的高增益天線，還有一副是全向UHF頻段天線。當它在火星上工作的時候，采用X頻段和地球通信。

因為距離遙遠，“機遇號”的通信速率相當?shù)?。高增益天線在任務初期的最大下行速率也只是略微超過10000比特每秒。低增益天線的下行速率只有10比特每秒。

UHF頻段并不是直接與地球通信的，而是通過“火星奧德賽”和“火星全球勘測軌道器”中繼，速度要快得多。以“火星奧德賽”為例，當它正好飛過“機遇號”頭頂?shù)臅r候，通信速率可以超過100兆比特每秒！

“機遇號”在不同頻段上的發(fā)射功率有所區(qū)別。在X頻段上的射頻發(fā)射功率只有16.8瓦。這個數(shù)字對地球靜止軌道衛(wèi)星通信來說還算不錯，但是對于地球和火星之間通信來說就太可憐了。好在UHF頻段信號不用跑那么遠，用12瓦發(fā)射功率就可以和中繼衛(wèi)星之間實現(xiàn)高速通信。

考慮到火星探測是NASA的最高優(yōu)先級目標之一，“機遇號”和“勇氣號”用上了深空網(wǎng)最大直徑的兩種天線——34米和70米的大天線全都向它們開放?！盎鹦菉W德賽”的中繼通信同樣可以通過這兩種天線進行。“火星奧德賽”上的存儲器容量有限，劃撥給“機遇號”和“勇氣號”使用的只有260兆比特，“火星全球勘測軌道器”劃撥給“機遇號”和“勇氣號”的存儲空間更少，只有77兆比特，所以要盡快把數(shù)據(jù)傳回地球，才能清空內(nèi)存。在任務早期，“火星奧德賽”向地球傳輸?shù)乃俣纫欢冗_到110千比特每秒。但隨著地火距離的增加，70米天線能接收到的數(shù)據(jù)率下降到40千比特每秒，34米天線下降到14千比特每秒。

“機遇號”的運行也證明，中繼衛(wèi)星的存在是極為必要的。如果沒有它們的中繼，“機遇號”拍攝的照片很難全都傳回來。因此，NASA一度規(guī)劃了專用的火星中繼衛(wèi)星，原本打算在2009年發(fā)射。但因為NASA的資金不多，有限的錢被“哈勃”維修、“機遇號”和“勇氣”號延期運行、“好奇號”發(fā)射等項目耗盡了，這顆衛(wèi)星研制計劃在2005年下馬。

尾聲

“機遇號”任務的結束，標志著兩臺第一代火星車都完成了自己的任務。目前，“好奇”號火星車還在月球上運行，美國研制的火星生命2020、俄羅斯和歐洲聯(lián)合研制的“羅薩林-富蘭克林”都將在2020年發(fā)射，中國也打算研制和發(fā)射一臺火星車。所有這些火星車，終極目的都是找到人類如何在火星上長期生存的資源和辦法。如果移民活動正式開展，我們需要的就不是火星漫游車了，而是各種鉆探車、采掘車、運輸車、發(fā)電車、宿營車……在火星上鋪鐵路的可能性也不是沒有呢。

相關鏈接：

“機遇號”和“勇氣號”的十大科學發(fā)現(xiàn)

“機遇號”從發(fā)射到現(xiàn)在，已經(jīng)過去了16個年頭。人們似乎已經(jīng)習慣了火星上有這兩臺小漫游車在不停地拍照。但無論“機遇號”還是“勇氣號”，使命都是到火星上尋找水的遺跡，而它們的設計工作壽命都只有90天。所以，“機遇號”已經(jīng)超期服役了15年。

負責“機遇號”和“勇氣號”的團隊設在華盛頓大學。2014年的時候，團隊副主任雷·阿爾維德森在接受媒體采訪時，就為這兩臺火星車總結了十大貢獻。如今，他的總結依然適合于為“機遇號”蓋棺論定：

1.大氣動力學

“機遇號”和“勇氣”號都用自身攜帶的APXS探測到火星大氣中的argon，用這種稀有氣體作為跟蹤指標，對火星大氣的動力學進行了研究。

2.火星塵暴

火星塵暴的發(fā)生很頻繁，也很難尋找規(guī)律。不過兩臺火星車還是設法描繪出了沙土如何在火星大氣中被風吹著運動的圖景。

3.水和冰霜

從橄欖石礦表面物質(zhì)以及古瑟夫撞擊坑中，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)存的水或者冰霜。

4.還是現(xiàn)代的水

“勇氣號”發(fā)現(xiàn)了硫酸鐵在水作用下深入土壤下方的痕跡。

5.水和灼熱巖石的相互作用

“勇氣號”在古瑟夫撞擊坑附近發(fā)現(xiàn)了水和巖漿相互作用的遺跡。

6.古代水熱對流系統(tǒng)

這也是“勇氣號”發(fā)現(xiàn)的。

7.風成的波紋狀地貌

“機遇號”在降落位置附近遇到了風吹形成的波紋狀地貌，但不是近年形成的，或許火星自轉方向曾經(jīng)發(fā)生過變化。

8.火星上的隕石

“機遇號”在降落地點附近發(fā)現(xiàn)了一些隕石。

9.火星曾經(jīng)有宜居環(huán)境

“機遇號”發(fā)現(xiàn)，從前火星可能是宜居的。不過這可能是40億年之前的事情了。

10.古代酸性湖泊

“機遇號”降落位置附近發(fā)現(xiàn)了硫酸鹽化的巖石和土壤，是古代酸性湖泊和地下水上升的產(chǎn)物。