美國火星2020任務“毅力號”（Perseverance）火星車于2021年2月18日著陸點火星。截至2021年10月8日，毅力號和它攜帶的“機智號”（Ingenuity）直升飛機已經在火星表面度過了225個火星日。
毅力號火星車有什么特別？它與之前的火星車任務有什么不同之處？為什么要著陸在耶澤羅撞擊坑？在登陸火星后的日子里，毅力號表現如何，做了什么，要去往哪里？這篇文章（上下兩部分）將為你一一揭曉。
火星采樣返回——一個漫長的期待
將火星樣品送回地球一直是國際火星學界的頭號期盼，但礙于技術和成本原因一再推遲。為應對高昂的探測成本，美國宇航局最終與歐空局于2018年簽署了聯合火星采樣返回合作協議，提出了“三步走”采樣返回計劃概念。整個計劃歷經約10年，先后包括三次獨立的發(fā)射任務。
毅力號火星車是整個計劃的第一步。毅力號負責采集樣品并將封好的樣品管留在地面上。2026年7月第二次發(fā)射，將一輛“樣品取回火星車”（ESA研發(fā)）和一個搭載有上升火箭的“樣品返回著陸器”（NASA研發(fā)）降落在毅力號附近。著陸器預計2028年8月著陸火星，新抵達的火星車會把毅力號封裝好的樣品管收集起來送回上升火箭。如果屆時毅力號仍在運行，也將幫助運送樣品。2026年9月的另一次發(fā)射還將發(fā)送一個“樣品返回軌道器”（ESA研發(fā)）。軌道器搭載著NASA提供的樣品捕獲裝置，可捕獲上升火箭送至環(huán)火軌道的火星樣品罐，并將其轉至地球返回艙中。如果一切順利，返回艙將于2031年9月在美國猶他州著陸。一個題外話是中國的“天問”系列任務也計劃于2030年左右從火星表面采集樣品，這將是繼“天問一號”之后中國的第二個火星探測任務。
此次NASA/ESA聯合火星采樣返回任務造價高昂。三次發(fā)射的整體造價保守估計約70~80億美元——這還不包括樣品返回后的儲存設施建設。對于火星返回的樣品，需要在樣品的儲存和處理過程中執(zhí)行最嚴格的行星保護策略——即假設火星樣品中真的存在地外生命，并且這些生命對地球生命而言非常危險。為了有效保護地球的生態(tài)系統不受潛在的外來生命的侵害，對火星樣品的儲存和處理等設施的要求非常高。
那以這樣高昂的代價去取回火星樣品，值得嗎？非常值得！火星采樣返回將前所未有地推進和深化對火星和太陽系的研究和理解。通過火星樣品，科學家團隊可以建立火星的絕對地質年代，對火星是否存在（過）生命或前生命給出明確結論，理解火星的地質和氣候的演化等等。采樣返回也是載人探火的必經之路，返回的樣品將幫助科學和工程團隊評估火星表面環(huán)境對宇航員的潛在危害和未來登火可以就位利用的資源，從而制定切實可行的載人探火任務。
毅力號的采樣緩存系統
毅力號計劃采集35個巖石土壤樣品。毅力號的采樣緩存系統由三個部分組成：一條長達2.1米的機械臂（5個自由度），機械臂末端的工具組件（SHERLOC和WATSON，PIXL，氣體吹掃工具，接觸感應器和采樣鉆頭），以及車身上的采樣緩存系統。采樣緩存系統是毅力號火星車上的第二套機器人系統，用于完成復雜的采樣和緩存操作，也是整個采樣系統的控制核心。
火星車的采樣緩存過程大約可分為五步：選擇目標、鉆取樣品、采樣封裝、暫存樣品管，直到最后把（部分或全部）樣品管（及質量控制對照管）從車身釋放，放置在取回點。由于采樣量非常有限，采樣團隊需要盡量采集具有代表性和地質多樣性的樣品，使得地球上的科學家們能有機會全面深入的認識火星。在采樣之前，火星車利用所攜帶的多種科學載荷對所采目標旁邊的類似物進行綜合就位分析。綜合分析包括先用研磨鉆頭刮掉表層的塵土和風化層，再用氣體吹掃工具將表面吹干凈，接著用SHERLOC、WATSON和PIXL獲取目標的礦物化學組成和特征圖像。之后SuperCam還將通過激光獲取目標的光譜數據，桅桿主相機也將獲取目標的高分辨圖像。采樣時，火星車機械臂將鉆取巖芯或表土（土壤、塵埃、碎石等），每個樣品約重15克（類似一支粉筆大小）。取樣完成后，采樣緩存系統將立刻對所采樣品進行測量拍照，樣品管加蓋密封，并儲存在樣品儲存架里。采樣過程中和采樣后的綜合就位分析和樣品測量，不但可以幫助科學家們全面了解所采集樣品性質特征，還為未來樣品返回地球實驗室后的數據分析，以及未來科學儀器的研發(fā)提供寶貴的數據資料。
毅力號現在在哪，未來要去哪里？
在2021年6月1日之前的調試階段，毅力號順利完成了各項檢查，完成了機智號直升機的試飛和就位制氧實驗，還傳回了75000幅影像和麥克風記錄的火星表面聲音。6月1日，毅力號正式進入科學探測階段。從Octavia E. Butler著陸點，毅力號陸續(xù)向南行進了約1.5千米，抵達了一個昵稱為“坑底破碎粗糙“（Cratered Floor Fractured Rough）的地質單元（約4平方千米范圍）。為什么要來這里而不是直接向著著陸點西北的三角洲挺進呢？因為這里保存著耶澤羅撞擊坑中最古老的地質單元（早~中諾亞紀）。這里比鄰近的塞塔（Seitah）地質單元（中諾亞紀）更古老，比三角洲單元（早西方紀）可能老上幾億年。這也將是迄今為止所有巡視任務在火星表面探查過的最古老地質體。如果能夠將這些珍貴的古老樣品送回地球實驗室，將令整個火星學界欣喜若狂。相鄰的塞塔地質單元也值得探查，這里存在著基巖、山脊、層狀巖石和大量沙丘。如果讓毅力號穿越這個區(qū)域會非常危險，因此這里主要由機智號從空中探查。
2021年8月，毅力號進行了首次采樣嘗試。采樣目標是位于“撞擊坑底破碎粗糙”地質單元的基巖“Roubion”。在采樣正式開始之前，毅力號對采樣目標進行全方位的綜合測量。這塊看起來較亮的巖石表層被打磨工具磨開后，微區(qū)相機記錄下巖石表層較紅的物質和指示著水作用的內部結構。鉆取后的巖石粉末呈現灰色，指示著還原的環(huán)境特征。鉆取結束后，毅力號再次拍攝了鉆孔內的情況，以便為樣品分析提供鉆取深度等基礎數據。但是，令人意外的是，樣品緩存相機在對樣品管拍照時發(fā)現管內空空如也，樣品并沒有裝進管中。采樣團隊仔細評估了所有傳回的數據，認為取芯器本身沒有任何異常，在取芯器經過的工作區(qū)域也沒有發(fā)現掉落的巖芯或巖芯碎片；通過對鉆孔內的圖像分析，采樣團隊認為應該是巖石本身不夠堅固，鉆樣過程中僅產生了巖石粉末和小碎片，沒有產生巖芯。雖然這次采樣遇到了意想不到的情況，但采樣團隊毫不氣餒，決定繼續(xù)前往南塞塔區(qū)域，開展第二次采樣嘗試。此外，雖然沒有采集到巖芯樣品，但封裝在樣品管中實際裝入了火星大氣。火星大氣樣品也是珍貴的火星樣品，一旦返回地球，它將幫助科學家們深入理解火星的大氣變化和氣候演化。
8月26日左右，毅力號在“Artuby”山脊附近的Citadelle區(qū)域物色到了第二個采樣目標—— 一塊昵稱為“羅切特”（Rochette）的巖塊。和上一次采樣目標不同，這塊巖石看起來棱角分明，表面有風沙留下的擦痕，說明這塊巖石足夠堅硬。當磨去“羅切特”表層仔細觀察，可以初步判斷這是一塊玄武質的火山巖。這塊巖石的表面曾經與水相互作用，巖石內部可見水蒸發(fā)后留下的少量硫酸鹽。
在判定這塊巖石足夠堅硬之后，采樣團隊在這塊巖石上采集了一對巖芯（“Montdenier”和“Montagnac”）。“羅切特”屬于耶澤羅撞擊坑中較為年輕的玄武巖，通過準確定年，可以幫助科學家們重建耶澤羅的地質歷史時間線，特別是耶澤羅撞擊坑的形成、古湖的出現和消失以及過去火星表面的氣候變化等等。鹽顆粒中還可能捕獲了古代火星水或保存有古代生命的跡象，可能為火星古代氣候和宜居性提供重要線索。
攜帶著兩個火山巖芯，毅力號繼續(xù)前往下一個潛在的采樣區(qū)“南塞塔”。南塞塔的地質年齡比Citadelle區(qū)域更加古老。10月初，由于日凌（地球和火星運行至太陽兩側且三者近乎處于一條直線上），所有的火星任務都進入了為期幾周的休眠期。在這之后，毅力號將繼續(xù)在南塞塔區(qū)域開展探測。
一旦完成對這兩個古老地質單元的考察，毅力號將重新返回最初的著陸點，并從那里向西北的內雷特瓦（Neretva）三角洲挺進。“三岔口”是毅力號第二次科學活動的起始點，從那里毅力號可以到達古三角洲底部，并沿著山谷向三角洲的上層爬升，直到穿過三角洲區(qū)域進入內雷特瓦河谷。這將是人類首次對火星的三角洲和古河道開展就位探測。如果狀態(tài)良好，毅力號還有機會向著耶澤羅的坑緣前進，在這里可以探訪到耶澤羅撞擊坑最初形成時的物質。如果毅力號可以走出耶澤羅撞擊坑，它還將有望進入更廣闊的尼利高地，繼續(xù)探訪這片古老高地。■
（作者系中國科學院地球化學研究所月球與行星科學研究中心研究員）