火星探测器探索红色星球的25年中是如何进化的

没有什么比把机器人扔进太空更难的了——而且坚持着陆。1997年7月4日上午，加利福尼亚州帕萨迪纳喷气推进实验室的任务控制员希望克服困难，将一艘航天器成功降落在这颗红色星球上。

25年前，这台名为“索杰纳”的六轮漫游车成功登场，成为美国宇航局建造和运营的一系列探索火星的漫游车中的第一台。美国宇航局又派出了四架探测器，每一架都比上一架更具能力和复杂度，对这颗红色星球进行了勘测。8月5日，一艘名为“好奇号”的油轮迎来了它巡游的第十个年头。另一艘名叫“毅力号”的游艇正忙于收集岩石，未来的机器人应该会将这些岩石取回并带回地球。中国最近进入了火星探索游戏，去年登陆了自己的火星车祝融。

其他火星航天器在静止状态下完成了惊人的科学研究，例如20世纪70年代的双维京登陆艇，它是第一个近距离拍摄火星表面的探测器，而InSight探测器一直在监听火星鲨震动地球内部的声音（SN Online:2/24/20）。但漫游的能力将机器人变成了行星际野外地质学家，能够探索地貌并拼凑出其历史线索。休斯敦莱斯大学的行星科学家Kirsten Siebach说，机动性“使之成为一次发现之旅。”

红色星球漫游

五辆美国漫游者和一辆中国漫游者已经抵达火星，他们都访问了火星上的不同地点。许多研究集中在曾经潮湿、有利于潜在生命的区域。

每一辆火星探测器都去了地球上不同的地方，这使科学家们对火星如何随时间演变有了广泛的了解。火星车揭示，火星在其历史的大部分时间里都含有水和其他有利于生命的条件。这项工作为坚持不懈地寻找火星上古代生命的迹象奠定了基础。

越野旅行

路虎的坚固性是决定其行驶距离和运行时间的一个重要因素。其中三台机器仍在探索中。

火星漫游者随时间在火星上行驶的距离

每个漫游者也是设计、建造和驾驶它的人的反映。“毅力”号的其中一个轮子象征着火星车轨道扭曲成DNA的双螺旋形状。喷气推进实验室（JPL）的工程师詹妮弗·特罗斯珀（Jennifer Trosper）说，这“提醒我们，无论这辆火星车是什么，它都是人类的起源”，她曾为美国宇航局五辆火星车工作。“这是我们在火星上，某种程度上是我们的创造。”

小微波炉可以

第一个漫游者索杰纳诞生于一个工程师甚至无法确定是否能让机器人在火星上工作的时代。20世纪90年代初，时任美国宇航局局长丹尼尔·戈尔丁（Daniel Goldin）推动该局“更快、更好、更便宜”地做事——工程师们会嘲笑这句口号，称这三件事中只有两件是同时可能的。美国宇航局没有使用行星间探测器的经验。只有苏联在1970年和1973年在月球上运行过漫游者。

不管怎样，喷气推进实验室开始研制火星探测器。以废奴主义者索杰纳·特鲁斯的名字命名，这台基本机器只有微波炉大小。工程师们只能把它送到哪里；他们需要在火星上有一个大而平坦的区域，因为他们无法在山区或峡谷附近精确着陆。美国宇航局选择了阿瑞斯·瓦利斯，这是一条古老洪水的宽阔流出通道，任务在那里成功着陆。

索杰纳花了近三个月的时间在这片土地上四处游荡。进展缓慢。任务控制员必须不断与索杰纳沟通，告诉它在哪里滚动，然后评估它是否安全到达那里。他们犯了错误：有一次他们上传了一系列计算机命令，错误地告诉月球车自动关机。他们从这一绊脚石和其他许多绊脚石中恢复过来，学会了快速解决问题并向前迈进。

1997年，美国宇航局的第一辆漫游车“索杰纳”从着陆坡道上滚下，成为第一个可移动的火星机器人。

在为期12周的任务中，太阳能电池板提供了电力。

虽然《旅居者》是一项测试任务，旨在证明月球车可以工作，但它还是设法用它的一台X射线光谱仪进行了一些科学研究。这台小机器分析了15块火星岩石的化学成分，并测试了火星土壤的摩擦力。

在比计划的一周寿命多活了11周后，索杰纳最终变得太冷而无法手术。1997年9月27日月球车死亡时，特罗斯珀在任务控制中心。“你建造了这些东西，即使它们已经超过了它们的寿命，你也不能轻易放手，因为它们是你的一部分，”她说。

喷气推进实验室的工程师詹妮弗·特罗斯珀（Jennifer Trosper）是一小群人中的一员，他们曾为美国宇航局所有五辆火星探测器工作。2021，她是一个坚忍不拔的榜样。

孪生探险家

1998年和1999年，美国宇航局向火星发射了一对航天器；一个应该绕行星运行，另一个应该在一个极点附近着陆。两者都失败了。由于失望，美国宇航局决定建造一个月球车，并为下一次尝试提供一个备份。

这对孪生兄弟精神和机遇就这样诞生了。每辆车都有高尔夫球车那么大，比旅居者大了一步。每个机器人都有一个机械臂，这是月球车进化中的一个关键发展，使机器能够进行越来越复杂的科学研究。这两人已经安装了摄像头、三台光谱仪和一个工具，可以研磨岩石以揭示地表下的纹理。

但是有很多错误需要解决。勇气号和机遇号于2003年推出，相隔数周。

勇气号首先到达火星，在火星表面的第18个火星日，它冻结并开始发送错误信息。任务控制员花了好几天时间才解决这个问题——闪存系统过载——而此时机遇号正飞向火星。最终，工程师们解决了这个问题，机遇号安全地降落在了地球的另一边。

两辆火星车的寿命都超过了预期的三个月。两人在火星科学方面的成就都远远超过预期。

勇气号很早就把一个轮子弄坏了，只好向后开，把坏了的轮子拖在后面。但是，火星车在其着陆地点古谢夫陨石坑附近发现了大量工作，古谢夫火山口是典型的火星尘埃、岩石和山丘景观的所在地。勇气号发现了似乎很久以前被水改变的岩石，后来发现了一对富含铁的陨石。2010年，火星车最终在一个充满沙子的坑中遇难。任务控制员试图用一种被称为“自由精神”的方法提取它，但盐在沙粒周围沉淀，使它们特别光滑。

相反，机遇成了流浪者的能量兔，不断探索，拒绝死亡。在子午线平原登陆后，机遇号立即引起了科学家们的热烈讨论。

2013年，在机遇号火星车的机械臂下看到的中间的苍白岩石，是火星车着陆点上众多持有人们期待已久的液态水曾经在火星上流动的证据之一。

喷气推进实验室的行星科学家阿比盖尔·弗雷曼（Abigail Fraeman）说：“漫游者第一次发回的图像与我们看到的任何其他火星表面图像都非常不同。”。“这里没有尘土飞扬的火山平原，只有这片漆黑的沙滩和明亮的基岩。这真是太迷人了，太鼓舞人心了。”

就在着陆点，机遇号发现了火星上过去液态水的第一个确凿证据，这是一个备受期待的巨大发现（SN:3/27/04，第195页）。火星车继续寻找火星过去不同时期液态水的证据。弗雷曼说，经过多年的驾驶，火星车到达了一个名为“奋进”的陨石坑，并“进入了一个全新的世界”。奋进号上的岩石比其他在火星上研究的岩石要古老数亿年。它们包含了不同类型古代水化学的证据。

“机遇号”最终比任何外星世界上的任何月球车都行驶得更远，打破了苏联月球车的登月记录。2015年，Opportunity的里程表行驶了26.2英里（42.2公里）；任务控制员通过将一枚马拉松奖章放在漫游者的模型上并驾驶它穿过JPL的终点线缎带来庆祝。2019年，一场强烈的沙尘暴遮住了太阳，切断了太阳能，这是月球车为电池充电的必备条件，机遇号最终在这场沙尘暴中丧生（SN:3/16/19，第7页）。

双路虎比索杰纳有了巨大的进步。但下一个漫游者是一个完全不同的野兽。

任务项目科学家阿什温·瓦萨瓦达（Ashwin Vasavada）站在加利福尼亚州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室，与几辆火星车一起学习穿越火星庭院的各种表面。

越野车

到2000年代中期，美国宇航局决定要在火星上大展拳脚，搭载一辆运动型多功能车大小的巨型漫游车。一吨重的好奇号非常重，以至于它的工程师们不得不想出一种全新的登陆火星的方法。“空中起重机”系统使用复古火箭在火星表面上空盘旋，并将漫游车缓慢降落到地面。

2012年8月，好奇号在154公里宽的盖尔陨石坑内的5公里高的沉积物堆夏普山附近安全着陆（SN:8/25/12，第5页）。与前三辆由太阳能驱动的火星探测器不同，“好奇号”依靠钚的放射性衰变产生的能量运行。这使月球车能够走得更远更快，并为一套复杂的科学仪器提供动力，包括两个化学实验室。

好奇号引入了一种探索火星的新方法。当火星车到达一个新的区域时，它会用相机环顾四周，然后用激光轰击有趣的岩石，以确定哪些岩石值得近距离观察。近距离观察后，漫游者会伸出机械臂进行科学研究，包括钻入岩石中，看看它们是由什么组成的。

当好奇号抵达夏普山底部附近时，它立即发现了由一条曾经流动的河流形成的圆形卵石，这是第一次近距离观察火星上的一条古老河流。然后，任务控制员让漫游者从山上滚开，驶向陨石坑中的一个区域，即黄刀湾。在那里，好奇号发现了一个古老湖泊的证据，它创造了可能长达数千年的有利于生命的条件。

好奇心随后又回到了夏普山的山麓。一路上，漫游者在许多不同的岩石中发现了一系列有机分子，暗示了数百万年至数千万年来一直适合居住的环境。它嗅到了盖尔陨石坑内零星飘散的甲烷气体，这是一个仍然无法解释的谜，可能是地质反应造成的，尽管地球上的甲烷可以由生物形成（SN:7/7/18，第8页）。火星车测量了火星表面的辐射水平，这有助于未来的宇航员测量他们的暴露量，并观察了火星大气和夜空中的尘暴、云和日食。

2021 3月，好奇号漫游者在火星上的盖尔火山口上方的天空中出现了闪闪发光的冰晶云。穿越火星的能力使漫游者具备了与地形互动的人形能力。

“我们遇到了太多出人意料的丰富事物，”该任务的项目科学家JPL的阿什温·瓦萨瓦达（Ashwin Vasavada）说。“我很高兴有这样一个地方。”

“好奇号”已经完成了十年的任务，它仍在继续前进，在攀登夏普山山麓时有了新的发现。它最近离开了富含粘土的环境，现在正进入硫酸盐含量较高的环境，这一转变可能反映了数十亿年前火星气候的重大变化。

在行驶超过28公里的过程中，好奇号经受住了重大故障，包括关闭钻井系统一年多的故障。它的车轮被撞击的次数超过了地面试验的预期。也许五年后，月球车将继续滚动，直到未知故障导致其死亡或其钚能量减弱。

在火星岩石表面行驶了近10年后，好奇号的车轮受到的冲击超过了设计者的预期。

漫游者和它的伙伴

美国宇航局的前四辆火星车为有史以来最有能力、最灵活的火星车“毅力”登临火星奠定了基础。特罗斯珀将机器的进化比作儿童的成长。“我们在索杰纳有一个学龄前儿童，然后……你们这些精神和机会都很好的孩子们，”她说。“好奇心当然是一个年轻人，她可以自己做很多事情，而毅力是一种高能力的职业中期（人），几乎可以做你问的任何事情，真的没有问题。”

“毅力”基本上是“好奇号”的复制品，它是用其备件建造的，但有一个重大修改：一个用于钻孔、收集和储存细长岩芯的系统。“毅力”号的任务是收集火星岩石样本，以备将来的任务携带到地球，这将是第一次从火星返回的机器人样本。这将使科学家能够在他们的地球实验室中对火星岩石进行复杂的分析。西巴赫说：“我们比以前的任务更能感觉到我们是在为下一代做这件事。”。

月球车运行得很快。与“好奇号”悠闲地探索盖尔陨石坑相比，“毅力号”自2021 2月抵达以来，一直在围绕其着陆点45公里宽的杰泽罗陨石坑快速移动。它已经收集了10个岩芯，并且已经在寻找将它们放在地面上的位置，以备将来的任务拾取。“我们将从不同的地点带回样本，”加州理工学院的任务项目科学家肯尼斯·法利说。“所以我们要遵守时间表。”

“毅力”号前往杰泽罗研究一个古老的河流三角洲，该三角洲含有可能蕴藏着古代火星生命证据的沉积物层。但火星车略微偏离了目标，降落在一组无法通行的沙丘的另一侧。因此，它在第一年的大部分时间里都在探索火山口底部，结果发现它是由火成岩构成的（SN:9/11/21，第32页）。这些岩石是从熔融岩浆中冷却下来的，并不是许多人预期的沉积岩。

回到地球上的科学家将能够根据火成岩中化学元素的放射性衰变精确确定火成岩的年龄，为火星上某个特定地点的岩石年龄提供第一个直接证据。

毅力号于7月7日收集了它的第9块岩芯，只有一根小指那么大。未来的任务将把储存的样本送回地球进行研究。

在三月份完成对陨石坑底部的探测后，火星车迅速驶向三角洲。历届NASA漫游者都拥有更高的自主驾驶技能，能够识别危险、绕过危险并继续前行，而无需任务控制部门的持续指示。

“毅力”有一个独立的计算机处理器来运行自主导航的计算，使其移动速度比“好奇”更快。（好奇号花了两年半的时间才走了10公里；毅力号在一年多一点的时间里走了那么远。）“我们能给它的时间里，漫游车几乎每分钟都在行驶，”法利说。

4月，毅力创造了火星驾驶记录，仅在30天内就行驶了近5公里。如果一切顺利，它将在三角洲上下航行，然后到达杰泽罗陨石坑的边缘，并到达更远的古代平原。

坚韧不拔有一个伙伴，机智，第一架直升机去另一个世界。这架机敏的飞行器只有半米高，它的成功超出了设计师们最疯狂的梦想。这架直升机在最初的16个月里飞行了29次，而在一个月内预计只飞行了5次。它为月球车搜索了前方的路径和科学目标（SN在线：4/19/22）。未来的流浪者几乎肯定会有这样的小伙伴。

美国宇航局喷气推进实验室的一名工程师在2019年测试期间测量“毅力”号火星车上的光线。火星车去年登陆火星，此后一直在探索。

中国的首次亮相

虽然美国在火星车探索方面处于领先地位，但它并不是唯一的参与者。2021 5月，中国成为第二个成功在火星上安装火星车的国家。它的祝融漫游者，以神话中的火神命名，一直在探索地球北半球被称为乌托邦平原的一个大盆地的一部分。

着陆点位于可能是古代火星海岸线的地质边界附近。与其他火星探测器地点相比，祝融的着陆点要年轻几十亿年，“因此我们正在研究火星上的另一个世界，”哥本哈根大学的行星科学家鲁潘说，他与祝融的科学家合作。

在许多方面，祝融在规模和流动性上都类似于精神和机遇。它携带摄像机、研究岩石的激光光谱仪和探测地下土壤结构的探地雷达（SN在线：5/19/21）。

着陆后，祝融拍下了周围岩石散落的照片，向南探索了各种地质地形，包括可能是泥火山的神秘锥和看起来像风吹沙丘的山脊。火星车的初步发现包括，乌托邦平原的火星土壤与地球上的一些沙漠砂相似，而且那里可能早在7亿年前就存在水。

5月，任务控制员将祝融切换到休眠模式，以迎接火星的冬天，并希望它在12月这个季节结束时醒来。它已经穿越了近两公里的地表，比索乔纳管理的区区100米还要远。（说句公道话，索杰纳必须继续绕着着陆器飞行，因为它依靠着陆器与地球通信。）

中国国家航天局于2021 6月11日发布了这张照片，照片中的祝融的着陆平台位于火星上。

从《旅居者》到《祝融》，火星漫游者向我们展示了人类在另一个星球上可以完成的任务。未来的火星车可能包括欧洲航天局的ExoMars，但在俄罗斯袭击乌克兰后，其2022年发射被推迟（SN:3/26/22，第6页）。入侵后，欧洲终止了与俄罗斯的所有研究合作，包括用俄罗斯火箭发射ExoMars。

瓦萨瓦达回忆起他在2011年“好奇号”发射时的敬畏之情：“站在佛罗里达州，看着这枚火箭发射，感觉它在你的胸口，知道有一台极其脆弱的复杂机器在这枚火箭的末端疾驰……这给了我一个完整的印象，我们人类正在把这些东西发射到太空中，”他说。“我们是把这些东西送到另一个星球的小矮人。”