2020年火星季的最後一位參與者也已入局。北京時間今天19時50分，在佛羅裡達州的卡納維拉爾角空軍基地，NASA「毅力」號（Perseverance）火星車搭乘阿特拉斯-5型運載火箭發射升空，成為繼阿聯的「希望」號火星探測器和中國的「天問一號」之後，又一個即將造訪火星的探測器。按照計劃，「毅力」號將於2021年2月18日在火星的傑澤羅隕石坑 （Jezero crater）降落。
美國從20世紀60年代，就開始了火星探測任務。截止目前，NASA的探測器已8次成功登陸火星。這次發射的毅力號更是被寄予厚望。這次探測任務共耗資24億美元，在承接美國此前的火星探測任務（檢測火星上的水、有機物等）的同時，毅力號也將搜尋火星上生命存在或曾經存在的證據，並將儲存樣本，等待搭乘未來的火星探測器返回地球。此外，毅力號火星車的腹部首次攜帶了「機智」號火星直升機。如果機智號能在火星稀薄的大氣中起飛，這也意味著人類將首次實現飛行器在其他星球的受控飛行。
傑澤羅隕石坑（Jezero Crater） 。圖片由美國火星勘測軌道探測器拍攝。
降落與探測任務
此次毅力號火星車的登陸位點為傑澤羅隕石坑，而探測器在火星上準確軟著陸一直都十分困難。此前，「好奇」號火星車在進入、下降和著陸（entry，descent and landing，簡稱EDL）的過程就經歷了「恐怖7分鐘」。在這次毅力號的著陸過程中，科學家採取最精密的火星地圖和多項全新的EDL技術，來規避該過程中的危險。
利用火星勘測軌道探測器拍攝的圖像，美國地質調查局的科學家已經繪製出了兩幅地圖：一幅精確標出了傑澤羅隕石坑中著陸點周圍的危險區域（解析度為每像素25釐米）；另一幅則是傳統的地表結構圖（解析度為每像素6米），前者在此次毅力號降落過程中將作為主導地圖。
在繞火星飛行時，飛行器將會拍攝登陸點的照片、測量與火星的距離，並將結果傳給毅力號。在降落至火星的過程中，毅力號會快速拍照，通過距離觸發技術（Range Trigger），評估與火星地面的距離，從而確定打開降落傘的時間。
隨後，毅力號將通過另一項「地形相對導航」技術（Terrain-Relative Navigation，簡稱TRN），通過拍照將地形與保存的地圖進行比較，確定降落點周圍的環境，並躲開降落過程中可能遇到的陡坡和大型巖石。
毅力號上攜帶的科學裝置概念圖。圖片來源：NASA/JPL-Caltech
毅力號準確降落後，將利用機械臂收集傑澤羅隕石坑中的巖石樣本。傑澤羅隕石坑的直徑為45千米，位於火星北半球伊希地平原的西部邊緣。根據此前的觀測數據，科學家認為大約在35億年前，傑澤羅隕石坑曾經被水覆蓋，形成一個湖泊。還有一些證據顯示，湖水攜帶有傑澤羅隕石坑周圍區域的沉積礦物質，形成了一個古河流三角洲，而這裡可能曾有一些微生物生存。
毅力號攜帶了火星環境動力學分析器（MEDA）、X射線巖石化學行星儀（PIXL）和拉曼和螢光光譜儀（SHERLOC），這些儀器將幫助毅力號分析火星表面巖石、土壤的物理化學特徵，尋找生命的遺蹟，了解火星地質以及大氣環境。
此外，相比於此前的火星任務，毅力號收集的樣本將有望返回地球，供科學家研究。毅力號共搭載43個樣本管，每一根樣本管能裝約15克的巖心樣本。NASA希望在2026年啟動收集任務，收集大約0.45千克重的樣本。這些樣本可能最早於2031年由NASA和歐洲航天局聯合太空任務帶回地球。而利用這些樣本，科學家將能分析這個區域的形成和演化過程，搜尋生命可能的存在痕跡。
機智號火星直升機
機智號火星直升機。圖片來源：NASA
此次火星探測項目的一大亮點是，機智號火星直升機將成首個在其他星球上飛行的飛行器。在登陸火星數月後，機智號將從毅力號的腹部卸下，在火星表面進行首次飛行試驗，其飛行過程將被毅力號記錄下來。若機智號能在真實的火星環境中試飛成功，將能指導後續的火星直升機研發。這些直升機將能在未來的探測任務中擔任輔助角色，例如作為機器人偵察員，從上方勘測地形或作為獨立科學飛行器來攜帶儀器。
機智號作為首次嘗試，其研發過程面臨諸多挑戰。首先，由於火星的大氣層密度僅地球大氣的1%，極其稀薄，很難為直升機足夠升力。其次，其降落在傑澤羅隕石坑的時間為2月份，此時該地區的氣溫極其寒冷，夜晚溫度接近-90℃。
最終NASA噴氣推進實驗室設計出的機智號質量僅1.8千克，機身高0.49米。它含有4個特殊碳纖維製成的旋翼葉片，跨度達1.2米，其旋轉速度能達到2400 rpm。它能依靠太陽能充電，其內部加熱器也能讓它在寒冷的夜晚保持正常的工作溫度。此外，機智號上還裝備有電腦、導航傳感器以及兩臺照相機（一臺彩色照相機，一臺黑白照相機）。
2019年1月，機智號通過了最後一次飛行測試。機智號項目管理者、NASA噴氣推進實驗室的工程師MiMi Aung表示：「我們的研究團隊已在地球上對機智號進行了各種測試，我們期待它能在真實的火星環境中完成飛行試驗。」
助力人類登陸火星
此外，毅力號還將著眼於未來，開展一些有助於將來人類登陸火星的實驗。其中，一個汽車電池大小的儀器（MOXIE）將用來測試將火星大氣中含量高達96%的二氧化碳轉化成氧氣，以供火箭推進器燃燒和為太空人提供氧氣。毅力號還攜帶將來作為火星太空衣的材料，以檢測它們是否能承受火星的嚴酷環境。根據NASA的判斷，他們將最快在本世紀30年代後，將太空人送上火星。
而搭乘毅力號的「乘客」還包括將近1100萬人籤名的矽片，以及一塊顯示地球和火星分別位於太陽兩邊的小牌，上面印著用莫爾斯電碼寫成的「讓我們一同探索這無垠深空」（Explore As One）的信息，還有向在這場疫情前線工作的醫務工作者致敬的一塊紀念匾。
重返地球的隕石
此次隨「毅力」號登上火星的，還有一個特殊的物體——一塊重返火星的火星隕石碎片。這枚硬幣大小的隕石碎片來自名為Sayh al Uhaymir 008（簡稱SaU 008）的火星隕石。1999年，人們在阿曼的沙漠中發現了SaU 008，此後SaU 008一直在英國自然歷史博物館中展出。SaU 008由玄武巖構成，對其化學成分、隕石中氣泡成分等分析都顯示，這枚隕石來自我們的近鄰——火星。
SaU 008的一部分（圖片來源：NASA/JPL-Caltech）
據「毅力」號團隊成員、英國自然歷史博物館的地球科學館藏主管Caroline Smith教授介紹，SaU 008誕生於4.5億年前。在大約7000萬~6000萬年前，一次小行星或隕石撞擊將其撞離火星。經過漫長的太空漫遊，大約1000年前，SaU 008降臨地球。現在，它即將跟隨「毅力」號重返數千萬年前的家園。所以問題來了：為什麼NASA科學家要把SaU 008帶回火星？
在這次火星探測任務中，SaU 008有著重要的科學意義。在「毅力」號裝配的科學儀器中，「SHERLOC」是至關重要的一環。SHERLOC原意為「通過拉曼光譜掃描宜居環境中的有機物及其他化合物」，這套儀器安裝在「毅力」號的機械臂上，由螢光光譜儀、雷射和照相機組成。SHERLOC可以發射高精度的雷射照射火星地表的巖石樣本，從而獲取其礦物組成、有機物以及可能的生命跡象等特徵。
SHERLOC發射雷射的解析度可以達到50微米，相當於一根頭髮的直徑。對於如此高精度的儀器，任何溫度變化、火星車所處地形的變化，都有可能影響到測量結果。因此，觀測之前的儀器校準就顯得至關重要。通常，SHERLOC需要首先用雷射照射某種成分已知，並且與火星巖石儘量接近的物體——如果數據準確無誤，那麼說明SHERLOC工作狀態正常，可以繼續檢測火星巖石樣本。在準備此次火星探測任務時，NASA團隊想到，既然要找與火星成分接近的物體，那麼與其在地球上尋找其他巖石，為什麼不直接用源自火星的隕石呢？於是，他們找到了堅硬、不易斷裂的SaU 008隕石。就這樣，SaU 008以一種意料之外的方式重返誕生地，並且為人類的火星探測任務作出自己獨特的貢獻。
參考連結：
https://www.cbsnews.com/news/nasa-mars-spacecraft-perseverance-rover-ingenuity-helicopter/
https://mars.nasa.gov/mars2020/mission/science/landing-site/
https://mars.nasa.gov/mars2020/timeline/landing/entry-descent-landing/
https://www.livescience.com/museum-returns-meteorite-to-mars-persverance.html