火星生活 | NASA

想去火星嗎？希望你可以喜歡藍色的夕陽和日復(fù)一日的地下生活。

 毅力號（Perseverance）是用于“火星2020”（Mars 2020）任務(wù)中的火星車，由美國國家航空航天局（NASA）下屬位于南加州的噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）制造。毅力號于美東時間2020年7月30日上午7:50發(fā)射，經(jīng)過一趟歷時7個月，歷程4.8億公里的旅行后于加州時間2021年2月18日下午3時55分成功登陸火星，降落在杰澤羅隕石坑（Jezero Crater）。

“毅力號”著陸過程 | NASA

 毅力號著陸點與先前成功的其他火星車著陸點一覽 | NASA

由于杰澤羅隕石坑曾是湖泊，地質(zhì)古老，地形豐富，是微生物繁殖的潛在溫床，因此毅力號此次的工作任務(wù)就是探測其附近的火星表面，以尋找古老微生物的生命跡象并取得樣本。為此，毅力號還攜帶了 7 種科學(xué)儀器，23 個攝影鏡頭，2個麥克風(fēng)和1臺名為機智號（Ingenuity，又名“小機靈”）的無人機來配合它進行科學(xué)研究。

毅力號所攜帶的7種科學(xué)儀器 | NASA

這7種儀器分別為：

• 變焦全景相機 Mastcam-Z

一種安裝在桅桿上的高清成像攝像機系統(tǒng)，具有全景、立體和縮放功能，可生成高清晰度的全景 3D 立體圖像。

• 激光超距分析儀 SuperCam

包括照相機，激光和光譜儀，可搜索與火星早期生命可能有關(guān)的有機化合物。 它可以在7米外就識別出目標物中小如鉛筆尖的化學(xué)和礦物成分。

• 火星環(huán)境動力學(xué)分析儀 MEDA

進行天氣測量，包括風(fēng)速和風(fēng)向，溫度和濕度，同時測量火星大氣層中塵埃顆粒的數(shù)量和大小。

• 紫外光譜儀  SHERLOC

SHERLOC安裝在毅力號的機械臂上，使用照相機，光譜儀和激光來搜索被水性環(huán)境所改變的有機物和礦物質(zhì)，實現(xiàn)掃描可居住環(huán)境的目的。 

• X射線儀 PIXL

可利用 X 射線對火星沙粒進行精準的分析，尋找火星微生物的生命痕跡。 

• 制氧儀 MOXIE

旨在從地球大氣中的二氧化碳中提取氧氣，為航天器返回地球提供燃料來源的同時也為未來宇航員登陸火星吸氧做準備，以此實現(xiàn) NASA 的“造氧計劃”。 

• 火星地下實驗用雷達成像儀 RIMFAX

使用雷達波以厘米級分辨率探測火星的地下結(jié)構(gòu)。

毅力號在安全著陸后拍攝的第一張照片中照到了自己的倒影 | The San Diego Union-Tribune

- 誰參與了毅力號的設(shè)計？-

所有用于太空的電力電子設(shè)備都必須能夠承受住極端的輻射，沖擊，振動和溫度。新思科技（Synopsys）的光學(xué)工程師們與馬林太空系統(tǒng)公司（Malin Space Science Systems）和亞利桑那州立大學(xué)（Arizona State University）合作，使用其CODE V光學(xué)設(shè)計軟件（CODE V Optical Design Software）設(shè)計了Mastcam-Z變焦鏡頭系統(tǒng)。鏡頭需要在擴展的可見光譜范圍內(nèi)進行正確校正，并且需要在至少3倍變焦范圍內(nèi)操作，同時能夠從靠近漫游車聚焦到無限遠。鏡頭還需要適應(yīng)在較大的溫差內(nèi)進行工作，例如極端溫度梯度。這些操作條件都需要大量的設(shè)計工作以及詳盡的分析研究。

英飛凌的IR HiRel公司也為漫游車提供了數(shù)千種關(guān)鍵任務(wù)輻射硬化組件。從1997年的旅居者號（Sojourner）開始，到2004年的機遇號（Opportunity）和精神號（Spirit），再到2012年的好奇號（Curiosity），這已經(jīng)是英飛凌的產(chǎn)品第五次登上火星探測器。多個漫游車子系統(tǒng)，例如飛行計算機，電機控制，雷達和任務(wù)儀器套件，集成了IR HiRel空間級MOSFETs，IC和其他電源控制產(chǎn)品，可確保在惡劣的空間環(huán)境中可靠地運行。

英飛凌為太空和其他惡劣環(huán)境提供獨特的產(chǎn)品組合，包括高可靠性，抗輻射功率轉(zhuǎn)換和RF解決方案 | Infineon

高通在太空探索中也發(fā)揮了重要作用，由于目前毅力號攜帶的無人機機智號主要以實驗和測試為目的，目標不算高，但對實時數(shù)據(jù)處理（包括飛行時的姿態(tài)控制、圖像處理等任務(wù)）要求很高，以至于火星車上搭載的成熟產(chǎn)品并不能滿足要求。因此噴氣推進實驗室（JPL）為其配備了民用的高通驍龍?zhí)幚砥?01以及高通飛行控制面板。

除了高通，機智號還使用了其他民用科技進行搭建。JPL工程師Tim Canham在接受IEEE Spectrum采訪時表示，除了處理器，機智號的導(dǎo)航設(shè)備，包括慣性測量單元IMU、激光測距儀等等設(shè)備，都是通過電商平臺SparkFun購買的普通手機級硬件。他表示，JPL不怕承擔(dān)風(fēng)險，愿意嘗試新的途徑和方法來實現(xiàn)目標。如果民用科技使用效果良好，JPL在后續(xù)也會繼續(xù)使用它們。

另外值得一提的一點是，之前NASA的火星探測器使用的都是VxWorks商業(yè)操作系統(tǒng)，Tim Canham表示這是NASA第一次在火星上運行JPL為機智號開發(fā)的已經(jīng)開源的Linux飛行控制系統(tǒng)。這也就意味著任何開發(fā)者都能在Github上下載NASA火星無人機的同款代碼，并用在自己的飛行器上。在Canham看來，這對于JPL來說是一個全新的嘗試，因為JPL本身還是傾向于安全可靠的產(chǎn)品，不過既然很多人對此感到非常興奮，JPL也很期待做出這樣的嘗試。

無人機機智號 | NASA

- 在地球過火星時間的人們 -

登上火星后，毅力號之后的探測路線全由JPL的“機器人界面與視覺化小組”（Robot Interfaces and Visualization）來操控。在接受采訪時，華裔工程師Jeng Yen表示，他們會按照火星時間打卡上下班：每當(dāng)火星進入黑夜，控制中心就開始上班編排程式指令；到了火星的早晨，再把寫好的程序傳輸過去，讓漫游車開始工作。由于火星在進入夜晚后溫度會降到零下80攝氏度，漫游車在這種情況下需要花費大量時間才能運轉(zhuǎn)起來，因此在經(jīng)過計算后，探測車只在白天執(zhí)行任務(wù)。

從地球到火星，信號的來回并非同步，而是要歷時半個小時，因此工程師們必須都要事先安排好工作，交給漫游車上的裝置執(zhí)行。不過相較之前的漫游車，毅力號全新的自主導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)有所緩解這一問題。類似自動駕駛汽車，毅力號具有高分辨率的廣角彩色攝像機和專用的處理單元，可將圖像轉(zhuǎn)換為地形圖并選擇通過它們的路徑。能夠自行走得更遠意味著漫游車可以覆蓋更多的范圍。機遇號記錄的單火星日最長的行駛距離為大約214米，而毅力號的目標是在減少人類投入的情況下可以基本接近或覆蓋此距離。

MSL自主導(dǎo)航的三種表示形式：操作員限制空間，漫游車解釋地形，以及在類似地形中漫游車的3D視圖 | JPL

- OPTIMISM，毅力號的雙胞胎兄弟 -

毅力號是臺前的明星，不過幕后還有我們不能忽視的OPTIMISM——他是毅力號的雙胞胎兄弟，在地球上默默做著支持工作。

OPTIMISM | CNET

OPTIMISM（Operational Perseverance Twin for Integration of Mechanisms and Instruments Sent to Mars的縮寫）是毅力號的全比例工程版，實際上是一個測試機器人，旨在盡可能地模擬毅力號在火星上要經(jīng)歷的實際任務(wù)。他們的全套裝備都是一樣的，包括尺寸、車輪、攝像頭、強大的計算機、移動系統(tǒng)、行駛速度和遙感質(zhì)量等，同時OPTIMISM也可以自主運行。OPTIMISM主要用于向毅力號傳送任何指令前衡量硬件和軟件的性能，有助于完成一整套軟件測試，這樣才能使團隊可以在毅力號前往火星的途中和登陸后向其發(fā)送補丁。

火星是離地球較近且環(huán)境最為相似的星球，一直是人類走出地月系統(tǒng)開展深空探測的首選目標，無論是毅力號、希望號，還是我國的天問一號，尋找地外生命都是人類不斷探索宇宙最根本的出發(fā)點。只要探尋之夢永遠不倒，人類在未來定會邁出更多矚目的步伐。