火星生活 | NASA

想去火星嗎？希望你可以喜歡藍(lán)色的夕陽和日復(fù)一日的地下生活。

 毅力號(hào)（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(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）制造。毅力號(hào)于美東時(shí)間2020年7月30日上午7:50發(fā)射，經(jīng)過一趟歷時(shí)7個(gè)月，歷程4.8億公里的旅行后于加州時(shí)間2021年2月18日下午3時(shí)55分成功登陸火星，降落在杰澤羅隕石坑（Jezero Crater）。

“毅力號(hào)”著陸過程 | NASA

 毅力號(hào)著陸點(diǎn)與先前成功的其他火星車著陸點(diǎn)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(hào)此次的工作任務(wù)就是探測(cè)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(hào)還攜帶了 7 種科學(xué)儀器，23 個(gè)攝影鏡頭，2個(gè)麥克風(fēng)和1臺(tái)名為機(jī)智號(hào)（Ingenuity，又名“小機(jī)靈”）的無人機(jī)來配合它進(jìn)行科學(xué)研究。

毅力號(hào)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(jī) Mastcam-Z

一種安裝在桅桿上的高清成像攝像機(jī)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(jī)，激光和光譜儀，可搜索與火星早期生命可能有關(guān)的有機(jī)化合物。 它可以在7米外就識(shí)別出目標(biāo)物中小如鉛筆尖的化學(xué)和礦物成分。

• 火星環(huán)境動(dòng)力學(xué)分析儀 MEDA

進(jìn)行天氣測(cè)量，包括風(fēng)速和風(fēng)向，溫度和濕度，同時(shí)測(cè)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(hào)的機(jī)械臂上，使用照相機(jī)，光譜儀和激光來搜索被水性環(huán)境所改變的有機(jī)物和礦物質(zhì)，實(shí)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(duì)火星沙粒進(jìn)行精準(zhǔn)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(shí)也為未來宇航員登陸火星吸氧做準(zhǔn)備，以此實(shí)現(xiàn) NASA 的“造氧計(jì)劃”。 

• 火星地下實(shí)驗(yàn)用雷達(dá)成像儀 RIMFAX

使用雷達(dá)波以厘米級(jí)分辨率探測(cè)火星的地下結(jié)構(gòu)。

毅力號(hào)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(hào)的設(shè)計(jì)？-

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(dòng)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(jì)軟件（CODE V Optical Design Software）設(shè)計(jì)了Mastcam-Z變焦鏡頭系統(tǒng)。鏡頭需要在擴(kuò)展的可見光譜范圍內(nèi)進(jìn)行正確校正，并且需要在至少3倍變焦范圍內(nèi)操作，同時(shí)能夠從靠近漫游車聚焦到無限遠(yuǎn)。鏡頭還需要適應(yīng)在較大的溫差內(nèi)進(jìn)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(jì)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(hào)（Sojourner）開始，到2004年的機(jī)遇號(hào)（Opportunity）和精神號(hào)（Spirit），再到2012年的好奇號(hào)（Curiosity），這已經(jīng)是英飛凌的產(chǎn)品第五次登上火星探測(cè)器。多個(gè)漫游車子系統(tǒng)，例如飛行計(jì)算機(jī)，電機(jī)控制，雷達(dá)和任務(wù)儀器套件，集成了IR HiRel空間級(jí)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(yùn)行。

英飛凌為太空和其他惡劣環(huán)境提供獨(dú)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(hào)攜帶的無人機(jī)機(jī)智號(hào)主要以實(shí)驗(yàn)和測(cè)試為目的，目標(biāo)不算高，但對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理（包括飛行時(shí)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(jìn)實(shí)驗(yàn)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(jī)智號(hào)還使用了其他民用科技進(jìn)行搭建。JPL工程師Tim Canham在接受IEEE Spectrum采訪時(shí)表示，除了處理器，機(jī)智號(hào)的導(dǎo)航設(shè)備，包括慣性測(cè)量單元IMU、激光測(cè)距儀等等設(shè)備，都是通過電商平臺(tái)SparkFun購買的普通手機(jī)級(jí)硬件。他表示，JPL不怕承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，愿意嘗試新的途徑和方法來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。如果民用科技使用效果良好，JPL在后續(xù)也會(huì)繼續(xù)使用它們。

另外值得一提的一點(diǎn)是，之前NASA的火星探測(cè)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(yùn)行JPL為機(jī)智號(hào)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(jī)的同款代碼，并用在自己的飛行器上。在Canham看來，這對(duì)于JPL來說是一個(gè)全新的嘗試，因?yàn)镴PL本身還是傾向于安全可靠的產(chǎn)品，不過既然很多人對(duì)此感到非常興奮，JPL也很期待做出這樣的嘗試。

無人機(jī)機(jī)智號(hào) | NASA

- 在地球過火星時(shí)間的人們 -

登上火星后，毅力號(hào)之后的探測(cè)路線全由JPL的“機(jī)器人界面與視覺化小組”（Robot Interfaces and Visualization）來操控。在接受采訪時(shí)，華裔工程師Jeng Yen表示，他們會(huì)按照火星時(shí)間打卡上下班：每當(dāng)火星進(jìn)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(jìn)入夜晚后溫度會(huì)降到零下80攝氏度，漫游車在這種情況下需要花費(fèi)大量時(shí)間才能運(yùn)轉(zhuǎn)起來，因此在經(jīng)過計(jì)算后，探測(cè)車只在白天執(zhí)行任務(wù)。

從地球到火星，信號(hào)的來回并非同步，而是要?dú)v時(shí)半個(gè)小時(shí)，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(hào)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(dòng)駕駛汽車，毅力號(hào)具有高分辨率的廣角彩色攝像機(jī)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(yuǎn)意味著漫游車可以覆蓋更多的范圍。機(jī)遇號(hào)記錄的單火星日最長(zhǎng)的行駛距離為大約214米，而毅力號(hào)的目標(biāo)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(hào)的雙胞胎兄弟 -

毅力號(hào)是臺(tái)前的明星，不過幕后還有我們不能忽視的OPTIMISM——他是毅力號(hào)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(hào)的全比例工程版，實(shí)際上是一個(gè)測(cè)試機(jī)器人，旨在盡可能地模擬毅力號(hào)在火星上要經(jīng)歷的實(shí)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(qiáng)大的計(jì)算機(jī)、移動(dòng)系統(tǒng)、行駛速度和遙感質(zhì)量等，同時(shí)OPTIMISM也可以自主運(yùn)行。OPTIMISM主要用于向毅力號(hào)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(cè)試，這樣才能使團(tuán)隊(duì)可以在毅力號(hào)前往火星的途中和登陸后向其發(fā)送補(bǔ)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(cè)的首選目標(biāo)，無論是毅力號(hào)、希望號(hào)，還是我國的天問一號(hào)，尋找地外生命都是人類不斷探索宇宙最根本的出發(fā)點(diǎn)。只要探尋之夢(mèng)永遠(yuǎn)不倒，人類在未來定會(huì)邁出更多矚目的步伐。