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火星2020

美國火星探測任務
除特別註明外，否則本條目所有時間皆以西五區（UTC-5）為準。

火星2020（英語：Mars 2020）是美國國家航空航天局（NASA）「火星探索計劃」（Mars Exploration Program）的火星探測器任務，其中包括毅力號火星車和機智號無人直升機。NASA在2012年12月4日舊金山的美國地球物理聯盟秋季會議上宣布了「火星2020」任務。該任務於世界標準時間2020年7月30日19時50分發射[2][3]，於美國東部時間2月18日下午3時55分降落在火星耶澤羅撞擊坑上的奧克塔維婭·埃·巴特勒著陸場。[4]截至目前為止，毅力號及機智號已在火星上停留1341火星日（1378地球日）

火星2020
火星2020任務中毅力號和機智號的想象圖
任務類型火星探測
運營方
國際衛星標識符2020-052A
衛星目錄序號45983
任務時長
  • 已進行1580天17小時又11分
    （以發射時間計）
航天器屬性
航天器
任務開始
發射日期2020-07-30
11時50分 UTC
運載火箭阿特拉斯-5型運載火箭 (AV-088)
發射場 美國卡納維拉爾角空軍基地 41號航天發射複合體
承包方聯合發射聯盟（ULA）
火星探測車
著陸日期2021-02-18[1]
著陸點耶澤羅撞擊坑

任務標誌：NASA（左）JPL（右）

毅力號將調查火星上的天體生物學及相關古代環境，並調查其表面地質過程和歷史，包括評估其過去的適居性、火星上過去存在生命的可能性以及尋找可訪問的地質材料中保存的生命印跡。[5][6]它將沿路採集樣本，以供未來的火星樣本取回任務使用。[6][7][8]毅力號的設計源自好奇號火星車，除了配備新的科學儀器和取芯鑽外，它還使用了許多已經製造和測試的組件。[9]它還配備了19個相機和2個麥克風，對火星環境拍照及錄音。[10]

火星2020是2020年火星發射窗口期間第三個發射前往火星的任務，前兩者分別為阿拉伯聯合大公國的希望號及中國的天問一號（天問一號軌道器及祝融號火星車）任務。

火星2020地火轉移軌道軌跡動畫
火星2020地火轉移軌道軌跡動畫
  火星2020任務
  太陽
  地球
  火星

探測器

毅力號

詳見：毅力號

毅力號（英語：Perseverance）是由美國國家航空航天局下屬的噴氣推進實驗室製造，用於火星2020任務中的火星車。該探測器已於美國東部時間2020年7月30日上午7:50（世界協調時11:50）發射，[11]於2021年2月18日着陸火星。[12]毅力號的外觀與好奇號大致相同，攜帶7種科學儀器，23個攝像頭，兩個麥克風，任務計劃探測耶澤羅撞擊坑附近的火星表面。毅力號還攜帶了一台名為機智號[13]的無人直升機，配合毅力號進行科學研究。

任務

  1. 確定火星上是否曾經存在生命：探測車任務重點是研究火星表面環境，在古代火星環境中形成的岩石樣品中尋找保存下來的生物跡象，這些岩石環境可能有利於微生物生存。這是人類首次為了尋找過去微生物生命跡象的火星車任務。在這之前的火星車任務好奇號是確認火星曾經有過宜居條件。[14]
  2. 研究火星的地質特徵：探測車的設計目的是研究岩層記錄，以揭示更多關於隨着時間的推移火星地殼和表面的地質改變過程。火星表面的每一層岩石都記錄了它形成時的環境。該任務將收集和儲存一套岩石和土壤樣品，這些樣品將會有後續任務使其返回地球（43根樣品管[15]）。[14]
  3. 為人類探索做好準備：探測車會驗證並利用火星環境中的自然資源製造支持生命活動和燃料的關鍵技術。它還監測環境條件，以便未來任務的設計人員更好地了解如何保護未來登陸火星的人類探險者。這一科學目標與美國計劃在21世紀30年代將人類送上火星的國家太空政策有關。曾前往火星的機器人任務建立了對環境的認識，並為未來登陸火星測試了創新技術。[14]

機智號

詳見：機智號

機智號（英語：Ingenuity）[16][17]在火星2020任務中用來進行飛行技術驗證，它可以提供目前軌道衛星或地面探測車和着陸器無法提供的獨特視角。為探測器或人類提供高清晰度的圖像，並使探測車能夠進入難以到達的地形。[18]。

機智號將在着陸後60-90天從毅力號腹下分離。[19] 人類將首次實現飛行器在其他星球的受控飛行[20]，與毅力號分離後將開展為期30天的飛行測試，飛行高度距地面3至5米，飛行距離可達300米（980英尺），每次飛行不超過三分鐘，最多飛行五次。[21]

任務

  1. 在火星稀薄的大氣層中證明有動力的氣動飛行可行性：火星重力加速度較低，約為地球的1/3，但其大氣層的厚度只有地球的1%，這使得產生氣動升力難度較大。[14]
  2. 驗證微型飛行技術：這需要縮小機載電腦、電子設備和其他部件的尺寸，以便直升機足夠輕，可以起飛。[14]
  3. 自主作業：直升機將使用太陽能為電池充電，並依靠內部加熱器在寒冷的火星夜晚保持工作溫度。在接收到通過毅力號火星車中繼的來自地球的指令，機智號每次試飛都是在沒有團隊人員實時控制的情況下進行的。[14]

着陸系統（EDL）

EDL系統是用於進入火星大氣層的整體結構，包括減速器、降落傘、下降級，以及用繫繩將火星車下降到火星表面的空中吊裝機動結構。

減速器由一個背殼和隔熱罩組成，可以保護火星車免受進入火星大氣層時所經歷的高溫。下降級通過反推發動機減速，它們在降落時會一個接一個地脫落，直到毅力號火星車安全降落在火星表面。[14]

發射和巡航

 
火星2020任務的巡航級

火星2020任務的發射窗口（最適合前往火星的時候）於2020年7月17日打開並持續到2020年8月15日。[22]最終火箭於2020年7月30日 11:50 UTC發射。火星2020並不是唯一使用此發射窗口的前往火星的探測器，阿聯國家航空暨太空總署於2020年7月20日用發射了希望號，並於 2021 年 2 月 8 日抵達火星軌道，中國國家航天局於2020年7月23日發射了天問一號，2021年2月10日到達軌道，並於2021年5月14日將祝融號火星車成功軟著陸。[23]

美國宇航局8月14日表示，火星2020任務的第一個軌道修正機動(TCM)取得了成功。飛船啟動了8個推進器，調整了向火星的方向，開始將探測器發射後的初始瞄準點轉向火星。火星2020的後面軌道修正計劃分別在9月30日、12月18日、2月10日和2月16日。這將為2月18日毅力號火星車登陸火星做好準備。[24]

後續所有的軌跡修正機動（TCM）都取得了成功。探測器發射後將花費七個月的時間前往火星。

 
毅力號及機智號於2020年7月30日於卡納維拉爾角空軍基地41號航天發射複合體發射

着陸

火星2020任務於2021年2月18日着陸火星並降落在耶澤羅撞擊坑。 在到達火星大氣層時，航天器的速度將達到12,500英里/小時（20,000公里/小時）。經過約七分鐘的着陸程序後才能安全到達火星表面。若着陸過程中任何一步出現錯誤，都可能導致着陸失敗，所以又被稱為「魔鬼七分鐘」。因為無線電信號從火星到地球需要花費超過11分鐘的時間，所以毅力號必須自主完成着陸程序。當在地球聽到航天器已進入大氣層時，實際上它已經在地面上了。[25]

着陸前準備

在進入火星大氣層前十分鐘，航天器將脫離巡航器，該裝置裝有在地火轉移軌道期間為航天器供電的太陽能電池板，無線電接收器和燃料箱。只留下有保護性的航空器外殼（裡面裝有火星車和EDL）進入火星大氣層。在進入大氣層之前，航天器會使用後殼上的小型推進器穩定自身，確保隔熱罩向前，確保在與大氣層時的高溫不會損傷到航天器。[25]

進入大氣層

當航天器進入火星大氣層時，產生的阻力會使它急劇減速，但這些阻力也會使它急劇升溫。進入大氣層後80秒左右，隔熱罩的外表面溫度達到約2370華氏度(約1300攝氏度)。然而，在航天器外殼裡面是非常安全的，溫度僅為室溫。[25]

穿過大氣層

當航天器穿過大氣層下降時，或多或少會遇到密度較大的空氣團，這可能會使它偏離航向。為了彌補這一缺陷，它會再次啟動後殼上的小型推進器來調整升力的角度和方向。這種技術有助於航天器保持在前往着陸點的路徑上。[25]

降落傘部署

隔熱罩將航天器的速度降低到1000英里/小時(1600公里/小時)以下。此時打開超音速降落傘是安全的。為了確定降落傘的開啟時機，毅力號使用一項新技術——射程觸發器（Range Trigger[26]）來計算航天器與着陸目標的距離，並在理想的時間打開降落傘以更高的精度着陸在指定的地點。降落傘直徑70.5英尺(21.5米)，在進入大氣層後約240秒展開，展開時高度約為7英里(11公里)，速度約940英里(1512公里)。[25]

精準着陸（Zeroing In on Landing）

降落傘部署20秒後，隔熱罩將分離。火星車第一次暴露在火星的大氣中，攝像機和儀器可以開始鎖定快速接近的火星表面。它的着陸雷達會反射地面信號來計算自身的高度。與此同時，另一項新的EDL技術——相對地形導航（Terrain-Relative Navigation [26]）也開始發揮作用。火星車使用特殊的攝像頭快速識別地表上的特徵，然後將這些特徵與毅力號自身攜帶的地圖進行比較，以確定自己所在的方位。地球上的任務小組已提前繪製了着陸地點最安全的區域。如果毅力號發現自己正朝着危險的地形前進，那麼它會選擇可以到達的最安全的地點。[25]

動力下降（Powered Descent）

在火星稀薄的大氣中，降落傘只能將飛行器的速度降低到每小時200英里(每小時320公里)左右。為了達到安全着陸的速度，毅力號號必須脫離降落傘，並使用反推火箭降落下來。可以把它想象成一種噴氣背包，它有八個引擎指向地面。引擎開啟後會迅速轉向一側，以避免受到降落傘和後殼的撞擊。其轉向方向由運行地形相對導航的計算機決定。當它離地表6900英尺(2100米)時，火星車就會與後殼分離，並啟動下降階段的引擎[25]

空中起重機（Skycrane機動）

當下降階段趨於穩定並最終減速到下降速度約為1.7英里/小時(2.7公里/小時)時，它將啟動「 skycrane」機動。着陸前約12秒，在地面上方約66英尺（20米）的地方，下降階段會向下釋放一組長約21英尺（6.4米）的電纜。同時，火星車會將其腿部和車輪鎖定在着陸時的位置。一旦探測車感覺到它的輪子接觸到地面，就會迅速切斷連接的電纜。這使得下降階段可以飛離地面，進行不受控制的着陸，與毅力號保持安全距離。 [25]

 
火星2020着陸過程
火星2020着陸模擬動畫

著陸成功

火星2020任務於美國東部時間2021年2月18日下午12:30在YouTube和NASA TV直播着陸過程。[27]

毅力號火星車與機智號無人機已於美國東部時間美國東部時間2月18日下午3時55分安全着陸火星。[28][29]

 
毅力號拍下的第一張火星照片
 
藍色圓圈表示毅力號預計着陸範圍
淺藍色標識表示毅力號實際着陸地點

主要任務里程碑、時間軸及成就

主條目：火星2020時間軸
 
"Crater Floor Fractured Rough" 是採集第一個岩石樣本的區域[30]
  • 2021年2月18日：成功著陸於傑澤羅撞擊坑
  • 2021年3月4日：首次試行駛[31]
  • 2021年3月7日：毅力號首次傳回SuperCam觀測資料[32]，並首次錄下行駛聲音[33]
  • 2021年3月30日：釋放機智號至地面[34]
  • 2021年4月19日：機智號首飛成功[35]
  • 2021年4月20日：MOXIE (火星氧氣原位資源利用實驗)成功利用二氧化碳製成5.37公克的氧氣[36]
  • 2021年6月1日：開始首次科學運動
  • 2021年7月7日：封裝首個見證管[37]
  • 2021年8月5日-8月6日：毅力號於 Roubion 的首次嘗試採樣失敗，原因是樣本太過脆弱，導致其粉碎為灰塵，無法成功封存，但也成功存取火星大氣，為首個存取的大氣樣本[38]
  • 2021年9月1日：毅力號對 Rochette 採樣成功，為首個採樣成功的火星岩石樣本[39]

花費與成本

NASA 計劃於 10 年內在火星 2020 任務上花費大約 28 億美元： 22 億美元用於研發毅力號火星車，8000 萬美元用於研發機智號無人直升機，2.43 億美元用於發射，2.96 億美元用於 2.5 多年的任務行動。[40][41]經通貨膨脹調整後，火星 2020 是NASA製造的第六昂貴的行星任務探測器，比其前身好奇號火星車便宜一些。[42]根據火星 2020 副總工程師 Keith Comeaux 的說法，除了使用備用硬件外，毅力號還使用了好奇號任務的設計，無需重新設計，這有助於節省「數千萬甚至數億美元」。[43]


宣傳

把你的名字送上火星

美國國家航空航天局（NASA）發起的「把你的名字送到火星 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 」活動邀請全世界的人提交他們的名字，用來「乘坐」將來飛往火星的探測器。提交姓名後能獲得一張電子版的「登機牌」。在毅力號上大約有10,932,296人提交了姓名。並通過光刻將名字刻在三個指甲大小的硅芯片上。其中包括NASA在命名競賽中155名決賽選手的論文。該板塊已於2020年3月16日安裝在火星車上。[44]

「把你的名字送上火星活動」
 
安放在「毅力號」上的名字銘牌
 
毅力號火星車的「登機牌」

圖片集

毅力號著陸（2021年2月18日）
毅力號著陸時的影片。
左上角為毅力號上方的鏡頭拍攝，左下角為空中起重機拍攝，右側為毅力號下方的鏡頭拍攝。
 
毅力號著陸時，火星偵察軌道衛星拍攝到 EDL 系統的照片
 
著陸後毅力號和 EDL 部件的位置。
下方為毅力號，最左側為降落傘和背殼，左側偏中間為空中起重機，右側為隔熱罩。
 
機智號在穿越 EDL 殘存部件時的飛行計畫。
 
奧克塔維婭·埃·巴特勒著陸場的位置
毅力號著陸後拍攝的照片
 
毅力號成功著陸後拍攝的第一張照片
 
第二張照片
 
毅力號著陸後的第一張彩色圖像
 
著陸點全景圖(2021年2月18日)
 
機智號在飛行時拍攝到毅力號(2021年4月25日)
機智號火星直升機
 
機智號曾毅力號下方部署
 
機智號在任務第46火星日部署完成
 
機智號首次試飛時拍攝的黑白照片，拍攝到它在地面上的影子 (離地1.2公尺)
 
機智號在火星上拍攝的第一張彩色飛行照片，飛行高度約為5.2公尺
機智號第4次飛行時，毅力號拍攝的影片 (2021年4月30日)
 
機智號完成第5次飛行後，降落於機場B (2021年5月7日)
EDL (再入、下降、著陸) 系統碎片殘骸
 
機智號拍攝的空中起重機碎片殘骸 (2022年4月3日)
 
 
 
 
機智號於 2022 年 4 月 19 日拍攝了 EDL 系統的背殼和降落傘的照片。[45]
毅力號的儀器
 
MOXIE 的第一次火星氧氣生成測試圖表 (2021 年 4 月 20 日)

參見

參考文獻

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外部鏈結

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