北京時間2020年7月30日19時50分，一枚「宇宙神五」運載火箭在美國卡納維拉爾角航天基地發射升空，本次搭載的是美國宇航局「毅力」號核動力火星車，預計明年2月抵達火星。
「毅力」號火星車可看作2012年登陸火星的「好奇」號火星車的升級版，裝備有最新型的科學探測儀器，更加側重對火星潛在生命跡象的探索。
此外，「毅力」號火星車還將擔負火星採樣任務，採集火星的巖石和土壤樣本，為未來的火星採樣返回任務做準備。據悉，本次火星任務共耗資超24億美元。
非常有意思的是，本次發射，除了「毅力」號火星車之外，還搭載了一架小型火星直升機，能夠對火星車著陸區域附近進行空中偵查。一旦成功，將成為首架在其他行星上飛行的可控飛行器。
這架名為小機靈的直升機重僅為1.8公斤，由兩個反向旋轉的螺旋槳提供升力，旋轉角速度可達2400轉每分鐘。水平移動的速度為10米每秒，爬升速度為3米每秒。有關這架小直升機的詳細情況，後面有專門章節具體介紹。
一、美國本次火星任務和中國的火星任務有什麼不同？
7月23日，我國用長徵五號運載火箭把「天問一號」送入飛往火星的軌道，這是我國首次發射火星探測器，並計劃利用這一次任務，完成對火星的繞、落、巡三種形式的探測，複雜度和難度都非常高。
圖註：2020年7月23日，長徵五號火箭搭載「天問一號」升空。
具體來講，就是把火星軌道飛行器、火星著陸平臺、火星車以及附屬設備一次性送到火星，加起來重達5噸，只有長徵五號火箭才能投送。
美國此次「火星2020」任務，主要是把「毅力」號火星車送到火星表面。火星車加上附屬的登陸設備總重量為3.9噸，比我們的「天問一號」要輕一些，採用比長徵五號運力小一些的宇宙神V541型火箭發射。
圖註：核電池位於毅力號火星車的尾部。
「毅力」號火星車長3米、寬2.7米、高2.2米、自重1025公斤，採用核動力驅動，稍展開來講就是利用鈽238原子核衰變釋放的熱量通過熱電偶來產生電能，功率不算太大，僅能提供持續的110瓦的電能，但這種方式能夠完全擺脫對太陽照射的依賴，能夠持續穩定驅動火星車在火星上運動。除了核電池之外，還安裝有兩塊鋰離子充電電池，用來提供瞬時大功率用電。
圖註：毅力號火車車的核電池。
但這種核動力也有其缺點，首先成本很高，其次隨著時間的推移，放射性元素不斷衰變，輸出功率會逐年下降，但至少可以使用14年的時間。有關這種核電源的詳情，後面有專門章節介紹。
我國的火星車重約240公斤，幾乎是玉兔月球車重量的兩倍，預計能工作至少90個火星日。這個重量介於NASA的「機遇」號火星車和「毅力」號火星車之間。具體來講，「機遇」號火星車重185公斤，「毅力」號火星車重1000多公斤。
圖註：中國火星探測工程發布天問一號1：1火星車。
我國的火星車有四片太陽能板，六個車輪，兩個高聳的天線，看起來就像一隻蝴蝶。受火星上光照和溫度的限制，火星車最佳的工作時間是在火星的中午前後，這時候陽光比較充足，能為其上搭載的科學儀器提供充足的電力。在白天陽光充足的時候，火星車還會把一部分電能儲存在蓄電池中，以備夜間使用。
除此之外，科學家還想到一種利用物質相變吸收太陽能的巧妙方法，在火星車頂部，有一個叫集熱窗的裝置，裡面裝有正十一烷。白天，溫度升高的時候，這種物質吸收熱量而熔化；夜間，溫度下降的時候，這種物質釋放熱量而凝固。利用這種方法，可保證火星車安全度過漫漫寒夜。這種全新的利用熱量的方式，在世界上尚屬首次。
在科學任務細節方面，美國的火星探測任務和我國的火星探測任務也有差別，這裡我們就不展開比較了。
二、毅力號火星車和好奇號火星車有什麼不同？
文章開始部分我們也提到，「毅力」號火星車可看作此前已登陸火星的「好奇」號火星車的升級版，是在「好奇」號火星車的基礎上進行定向設計而來，但兩者在很多細節方面卻很不相同。
圖註：好奇號火星車（左）和毅力號火星車（右）（藝術圖）。
「毅力」號比「好奇」號的車身更長，大約長13釐米。「毅力」號比「好奇」號更重，毅力號重1025公斤，好奇號重899公斤，多出來的重量主要是因為毅力號搭載了更重的設備。
「毅力」號火星車則安裝有23個相機，大部分都是彩色的，「毅力」號的桅杆相機具有更好的變焦功能，能夠拍攝高清晰的視頻和全景圖。而「好奇」號火星車只安裝有17個相機，只有四個是彩色相機。
「毅力」號火星車還安裝有兩個麥克風，不僅能用來捕捉毅力號降落到火星上的聲音，還能夠用來傾聽火星上的風聲以及雷射分析儀轟擊巖石的聲音。
圖註：好奇號火星車與毅力號火星車車輪樣式比較。
「毅力」號的車輪和「好奇」號使用的材質一樣，但輪徑更大一點，寬度要窄一些。車輪上面的花紋也不一樣，更加堅固。
「毅力」號的自主能力比「好奇」號更強，能夠更加高效完成任務。
圖註：毅力號火星車和好奇號火星車一樣，也是採用這種空中吊車的方式在火星軟著陸。
三、毅力號火星車攜帶了哪些重要科學儀器？
圖註：毅力號火星車攜帶的七大科學儀器。
1. Mastcam-Z：這是位於桅杆上的變焦全景相機，能夠產生高清晰的全景和立體圖像；能夠鑑定火星表面巖石的成分，還能夠輔助火星車行進。消耗功率大約17.4瓦。
2. SuperCam：這是一臺雷射超距分析儀，能夠遠距離利用高清相機、雷射和光譜儀對火星上的巖石和土壤成分進行分析。消耗功率大約17.9瓦。
3. PIXL：這是X射線光譜儀，能夠利用礦物對X射線產生螢光的原理進行更加精確的分析。裝配有微距相機，能夠看清非常細小的火星沙粒。消耗功率大約25瓦。
4. SHERLOC：這是紫外光譜儀，能夠利用紫外雷射對礦物和有機物質進行分析，這將是火星上第一個紫外拉曼光譜儀。這臺儀器上還安裝有一臺高解析度的彩色相機。消耗總功率大約48.8瓦。
5. MOXIE：我們知道，火星大氣中二氧化碳佔95%。這臺儀器將進行一項非常重要的實驗，那就是通過化學反應從火星大氣的二氧化碳中製取氧氣。有了氧氣，不但可以供未來登陸火星的太空人呼吸使用，而且氧還是火箭的推進劑。這臺儀器消耗功率約300瓦。
6. MEDA：相當於移動氣象站，能夠對火星大氣的溫度、氣壓、風速、風向、相對溼度以及沙塵的大小和形狀進行記錄。消耗功率約17瓦。
7. RIMFAX：這是雷達探測儀，這臺儀器是利用雷達對火星表面之下的地質結構進行探測，能夠達到釐米級別的解析度。消耗功率約5瓦至10瓦。
四、毅力號火星車有哪些關鍵的科學目標？
1. 尋找遠古火星存在過生命的痕跡。
2. 收集巖石和土壤樣本，為未來的火星採樣返回做準備。
3. 探索著陸區域的地質多樣性。
4. 為未來的火星任務驗證新技術。
圖註：毅力號火星採樣容器。
五、毅力號火星車的登陸地點在哪裡？
圖註：毅力號將降落在火星的北緯18度，西經77度區域（綠圈）；好奇號的降落區域（紅圈）。
「毅力」號將降落在火星的北緯18度，西經77度，一個名叫傑澤羅撞擊坑的地方。這個撞擊坑直徑49公裡，在遠古時期曾經充滿了水，裡面富含沉積的黏土。「毅力」號火星車選擇在這裡著陸，就是為了尋找沉積物中可能存在過生命的痕跡。
圖註：綠色橢圓是毅力號預定的降落區域，位於撞擊坑邊緣靠近遠古河流入口的地方。
非常有趣的是，曾經有一條河流流入這個遠古湖泊，在河流的入口處形成了一個三角洲。「毅力」號的著陸範圍就覆蓋在三角洲地帶。
圖註：傑澤羅撞擊坑直徑49公裡，在遠古時期曾經充滿了水（藝術圖）。
六、翱翔在火星天空的首架人類直升機
美國宇航局的本次火星任務，非常具有創新性的一點是，除了高大上的「毅力」號火星車之外，還有非常靈巧可愛的火星無人機。
這架小直升機重僅為1.8公斤，高0.5米，螺旋槳直徑1.2米，由兩個反向旋轉的螺旋槳提供升力，功率350瓦。
雖然火星的表面引力只有地球的三分之一，從這點看有利於飛行器飛行，但是火星的氣壓只有地球氣壓的1%，空氣非常稀薄，因此要求螺旋槳轉動更加快速才行。小直升機螺旋槳旋轉角速度可達2400轉每分鐘。水平移動的速度為10米每秒，爬升速度為3米每秒。
這架小直升機靠頂部的太陽能板進行充電，電能儲存在鋰離子電池中。充電一天，大概能夠飛行90秒！安裝有一個彩色相機和一個黑白相機。
這架直升機無法直接和地球聯絡，要通過「毅力」號進行信息接力傳輸，因此，不能飛離「毅力」號太遠，最遠航程僅300米，最遠通訊距離為1公裡。
其實，本次火星直升機項目主要是為了進行技術驗證，並沒有賦予太多任務使命。火星直升機比軌道上的人造衛星解析度更高，而且比火星車更加靈活，機動性更強。一旦飛行成功，將為未來火星探測增加了全新的方式。
七、不依賴陽光的核能發電裝置
雖然太陽能動力也可以在火星上工作，但有時候會遇到問題。當火星上起沙塵暴的時候，火星灰塵會遮擋90%的太陽光，灰塵也會覆蓋電池板。「毅力」號火星車重約1000公斤，是一輛較大的火星車，大小如同一輛小型汽車。它上面搭載有數臺高能耗儀器，所以它的能量需求很高，因此依靠太陽能發電不能滿足用電需求。
圖註：美國宇航局噴氣推進實驗室的技術人員正在將放射性同位素熱發電機（RTG）安裝到「好奇」號上。通過鈽-238的衰變來提供任務所需要的電能。
毅力號火星車使用的是「放射性同位素熱發電機」提供電能。其原理是，通過熱電偶裝置把放射性同位素鈽-238衰變產生的熱直接轉換為直流電來提供火星車的行駛和各項儀器設備使用。
圖註：RTG中使用的是二氧鈽(鈽-238），放射性衰變使其變得非常熾熱（左）。1945年美國投擲到日本長崎的原子彈升起的蘑菇雲（右），該原子彈的代號為「胖子」，使用的核燃料為鈽-239。
人造同位素鈽-238的半衰期僅為88年，這意味著它的放射性衰減之快可以讓它非常熾熱。鈽-238釋放的是阿爾法射線，很容易被阻擋，這種物質不能用於核彈。RTG沒有活動的部件，所以很可靠，並且放射性材料能夠持續發熱很多年。RTG除了用於為「毅力」號供電之外，餘熱還能為「毅力」號的各種儀器以及自身供暖。
「毅力」號使用的RTG裝置是當年好奇號火星車的備用產品，重量約45公斤，裡面封存有4.8公斤的二氧化鈽。當電力需求低谷的時候，RTG就給兩塊鋰離子電池充電，以備用電需求增加的時候使用。隨著放射性元素的不斷衰變，輸出功率會越來越低，但「毅力」號上的RTG使用壽命至少可達14年。
其實，這種利用核能的方式並不是太新鮮的科技。當年阿波羅登月期間，就使用過這種發電裝置。
對於那些飛往火星之外的探測器，使用核能幾乎是唯一的選擇。大名鼎鼎的旅行者1號探測器、旅行者2號探測器、先驅者10號探測器、先驅者11號探測器以及飛掠冥王星的新視野探測器，都是採用RTG供電。
除此之外，探測木星的伽利略探測器、探測土星的卡西尼探測器也都是利用的RTG供電。唯一的例外是朱諾號木星探測器，朱諾號採用的是異常巨大的太陽能板供電，據說是由於當年用於RTG的鈽238儲備不足，不得已而採用權宜之計。
八、1093萬個地球人名字飛往火星
為了喚起公眾對這次火星任務的注意，依照慣例，美國宇航局開展了「發送你的名字到火星」的活動，通過網絡向全世界徵集，最終徵集了10932295個名字。值得注意的是，這些名字不是以二進位的形式存放在內存裡，而是用電子束雕刻的方式刻在三塊指甲蓋大小的矽片上。
圖註：1093萬個地球人名不是以二進位的形式存放在內存裡，而是用電子束雕刻的方式刻在三塊指甲蓋大小的矽片上（紅圈部分）。
圖註：這是本文作者上傳到毅力號火星車上名字後，返回的紀念票。
這種活動，美國宇航局已經舉辦過多次，每當有深空探測任務的時候，往往都會通過網絡徵集名字。上次是2018年洞察號火星車發射的時候，同樣徵集過一波，那次收集的人名數量大約有240萬。2011年好奇號火星車發射的時候，徵集到的人名數量才100多萬。
圖註：2020年新冠肺炎大流行，為了歌頌全世界的醫務工作者堅持不懈地對抗新冠肺炎，毅力號火星車還搭載了一個寬8釐米，長13釐米的鋁製紀念牌。
九、一片火星隕石搭乘毅力號火星車重返老家
科學家估計，在大約60萬年前，一顆小行星或彗星撞擊了火星，飛濺出的火星巖石在大約1000年前墜落在阿曼沙漠，1999年才被科學家發現，這是一塊典型的玄武巖，其中含有輝石、橄欖石和長石礦物質。該巖石的代號為SaU 008，形成於大約4.5億年前。
圖註：毅力號火星車將搭載這塊火星隕石的切片，目的是為了利用這塊火星巖石對其紫外光譜儀SHERLOC進行校準。
「毅力」號火星車將搭載這塊隕石的切片，目的是為了利用這塊火星巖石對其紫外光譜儀SHERLOC進行校準。
如果紫外光譜儀在停留火星期間出現系統錯誤，他們將難以察覺，因此把火星巖石切片放在「毅力」號前方，讓它不時接受掃描。地面控制人員可根據掃描結果判斷這臺儀器是否工作正常。
十、為什麼今年三個國家扎堆發射火星探測器？
你如果關注太空，就會知道今年有三個國家向火星發射探測器：我國的「天問一號」探測器、美國的「毅力」號火星車和阿聯的「希望」號探測器。其中，「希望」號探測器已於7月20日率先發射升空。「天問一號」也已於7月23日發射升空，目前已飛到距離地球150萬公裡之外，也正在飛往火星的軌道中。
由於新冠疫情的原因，「毅力」號火星車的發射日期已經受到了影響，但如果錯過了8月15日這個最後的窗口日期，那麼就要繼續等兩年，這是為什麼呢？
我們知道，火星軌道在地球軌道的外側，它們共同繞太陽運動。火星繞太陽一圈大約需要2個地球年，火星運動的比地球慢，因此二者之間的相對位置在時刻在變化。最遠時兩者之前的距離大約4億公裡，最近時大約5500萬公裡。那，是不是說當兩者之間距離最近的時候才發射火箭呢？答案是否定的。上面我們也說了，地球和火星的相對位置在時刻變化，我們不能有「刻舟求劍」的錯誤思維。
圖註：2018年，美國洞察號飛往火星的軌道。其他飛往火星探測器的軌道類似。
其實，早在1925年，有一位名叫霍曼的工程師就提出了一種讓太空飛行器變換軌道的最優方案，後來被稱為「霍曼轉移軌道」。具體到從地球飛往火星，這是一種連接地球軌道與火星軌道的橢圓軌道。如果選取的發射時間窗口合適，當探測器沿著霍曼軌道運動到與火星軌道交點時，火星也能恰好運行到這個交點附近。對於發射火星探測器而言，這個時間窗口大約每26個月才出現一次。因此，錯過今年的發射窗口，就要再等兩年！所以，今年才出現扎堆發射火星探測器的情況。例如，歐盟和俄羅斯聯合研製的火星探測器，本來也是今年發射，但由於技術原因被迫推遲，只能等到2022年發射了。
這裡要強一下，這種最優的軌道設計不是最節省時間，而是最節省燃料，目的是為了最大限度提高有效載荷。理論上，採用霍曼轉移軌道，從地球到火星要飛八個多月左右的時間。當然，探測器實際飛行的軌道往往並不是嚴格的霍曼轉移軌道，實際飛行時間稍短或稍長。
十一、無形的風箏線：美國深空探測網
火星探測器離開地球，在飛往火星的過程中需要精確測控。由於探測器的距離很遠，發出的信號隨著距離的增加而衰減，這就需要有強大的深空測控能力。
最著名的要數美國深空網，這是由美國噴氣推進實驗室管理的一個先進的測控網，是為了對執行月球、行星和行星際探測任務的太空飛行器進行跟蹤、導航與通信而建立的地基全球分布測控網。
為了克服地球自轉影響，實現對深空太空飛行器的連續測控覆蓋，深空測控網的布局通常是在全球範圍內經度上間隔約120度，這樣就可以確保對距離地球表面3萬公裡以上的太空飛行器進行連續跟蹤。
圖註：位於澳大利亞坎培拉的70米直徑深空探測天線。
圖註：位於美國加州戈德斯通的70米深空網天線。
圖註：位於西班牙的馬德裡的70米深空探測天線。
美國深空網由在全球按經度間隔120度分布的三個深空通信綜合設施組成，分別位於美國加州的戈爾德斯通、西班牙的馬德裡和澳大利亞的坎培拉。深空網的操作控制中心位於美國加州帕薩迪納的噴氣推進實驗室。美國深空網是目前世界上規模最大、能力最強的深空測控系統。
除了美國深空網，歐空局也有自己的全球性深空網。俄羅斯、日本、印度、義大利、德國等國家也研製建設了自己的深空測控設備，但並未形成完整的全球性深空網。
值得一提的是，近年來，我國為了深空探測的需要，也建立了自己的深空網。我們的深空通信綜合設施主要是喀什深空測控站、佳木斯深空測控站和位於阿根廷的深空測控站。
目前，我國的深空網已成為繼美國深空網、歐空局深空網之外，又一功能完備的全球性測控網。
十二、火星和地球的比較
太陽系內有八大行星，其中水星、金星、地球和火星屬於巖石行星，探測器可以在上面著陸，木星、土星、天王星和海王星屬於氣態行星，沒有固體表面。
在四顆類地行星中，金星和地球的大小最為接近，但除了大小之外，其他方面就很不一樣了，金星表面的溫度可達400攝氏度，甚至可以讓鉛熔化，人類是無法在這樣的環境中長期駐留和生存的。
火星的直徑相當於地球的一半，表面引力相當於地球的三分之一，大氣壓相當於地球的百分之一，赤道地區最高溫度甚至可達35攝氏度，但全球平均溫度較低，為零下63攝氏度。
另外，火星的自轉周期和地球非常接近，為24小時40分鐘。像地球一樣，火星也是傾斜著自轉的，傾角為25.2度，地球為23.5度，兩者也非常接近。由於是傾斜著自轉，也就像地球一樣，有四季交替現象。
值得注意的是，火星的大氣絕大部分是二氧化碳，含量高達95%！其餘是氮氣等氣體，沒有氧氣。因此，未來飛往火星的太空人必須身穿太空衣才能在上面活動。
十三、人類探測火星的悲壯歷史
圖註：人類發射成功的火星探測器全家福。
迄今為止，人類已嘗試發射了47次火星探測。其中，美國22次，前蘇聯和俄羅斯共19次，日本1次，歐洲2次，印度1次，阿聯1次，中國1次。完全成功和部分成功共計23次。
其中，前蘇聯共嘗試發射17次火星探測器，成功和部分成功僅5次，成功率僅29%。因此，火星有探測器墳場的稱呼。
除了本次「毅力」號之外，美國向火星發射了22次探測器，其中成功了15次，失敗了7次；歐空局向火星發射了2次，成功了2次；俄羅斯向火星發射了2次，失敗了2次；日本向火星發射了1次，失敗了1次；印度向火星發射了1次，成功了1次。阿聯的「希望」號和中國的「天問一號」在飛往火星的途中。
隨著科技的進步，近些年火星探測器的成功率已經有了很大的提高。
十四、火星上有哪些最著名的探測器？
當前，最著名的火星探測器要數「好奇」號火星車了，「好奇」號火星車自從2012年著陸火星以來，一直穩定工作，靠放射性同位素發電機提供能量。
圖註：美國三代火星車大小比較，毅力號火星車和好奇號火星大小相當。
2004年著陸火星的「勇氣」號和「機遇」號火星車也是大名鼎鼎，兩輛火星車的設計壽命只有90天，但兩者都大大超期服役。其中，「勇氣」號運行到2010年，「機遇」號更是運行到2018年。
1976年著陸到火星的「海盜一號」和「海盜二號」著陸器也非常有名，這兩枚著陸器極大提高了人類對火星的認識。
2018年著陸火星的「洞察」號探測器是目前最新的著陸器，目前正在通過監聽火星的星震和內部熱流來研究火星的整體結構。
除了這些火星車和著陸器，在火星軌道上運行的著名軌道器有「2001火星奧德賽」；「火星快車」以及「火星勘測軌道飛行器」等等。
十五、人類探測火星的最重要意義是什麼？
圖註：火星的地形地貌（來源：NASA）。
火星是太陽系內與地球環境最接近的行星，有稀薄的大氣層，氣壓為地球的1%，局部最高溫度甚至可達35攝氏度，當然平均溫度還是比較低的，只有零下63攝氏度。此外，還封存有大量冷凍狀態的水。因此，在未來，火星幾乎是唯一存在移民可能性的行星。
另外，火星還有存在像微生物這種低等生命的可能性。這也是世界各國熱衷探索火星的重要原因。