机遇号火星探测器

机遇号（Opportunity）火星探测器，是美国航空航天局火星探险漫游者任务（Mars Exploration Rover Mission）的两个项目之一，也是火星探测计划的组成部分。 “机遇”号的主要使命是寻找火星上存在水的线索。

2003年7月7日，“机遇”号探测器搭载在三角洲 2火箭上顺利升空，前往火星。次年1月31日，它成功驶出着陆舱，踏上火星表面，开始火星探测。原本计划的任务期限是90天，但它一直工作了15年，总行驶里程超过45公里，创造了人类探测器在外星的最长行驶距离纪录，获得了包括火星上曾存在“可饮用的水”等重要发现。 “机遇”号探测器是一个六轮太阳能动力车，高1.5米、宽2.3米、长1.6米，重185 千克，携带了高度集成化的科研仪器。

2019年2月13日，由于机遇号探测器在2018年6月遭受了严重的火星沙尘暴，地球无法恢复与它的通信，美国航空航天局宣布放弃 “机遇”号。为了纪念机遇号对火星探索做出的重大贡献，第39382号小行星以“机遇号”的名字进行了命名。

发展沿革

诞生背景

20世纪90年代，美国宇航局提出了一个火星探测一揽子计划，该计划从90年代一直延续到21世纪，当时被称为“火星探测三部曲”。但随后，1992年，美国开局的火星观察者失败，1996年，俄罗斯开局的火星96号也在升空后失败。也是在同一年，美国的全球勘探者号才迎来成功，与它一起前往的还有探路者号着陆器和旅居者号火星探测车，旅居者号也在1997年成为人类第一辆成功着陆的火星车。但它仅有10多千克，携带的仪器也无法拥有复杂功能，仅仅工作了几十天就宣告任务结束。人类迫切需要一个全面、复杂、多功能的火星车登陆火星。

在这种需求下，美国航空航天局的火星探测计划就正式立项了火星探测漫游者（Mars Exploration Rover，MER）项目，它包括两个重量为185千克的火星车，MER-A和MER-B。

命名和准备

2001年，美国发射的 2001火星奥德赛号轨道器取得成功，它可以为地面功率较低的火星探测车提供信号转发，这意味着两辆火星车任务可以在2003年顺利踏上旅程。

2002年11月，美国宇航局考虑到公众参与科研项目、尤其是普及科学知识的重要性，因此这两颗火星车命名采取了小学生征文比赛的方式。最终，它们分别被命名为勇气号火星探测器（MER-A）和机遇号（MER-B）。

2003年4月，美国航空航天局为两个天问一号选定了两个科学上可靠的着陆点，每辆火星探测器着陆后都将检查其着陆点，以寻找过往液态水活动和过往对生命友好环境条件的地质证据。同时，“机遇”号探测器已在美国宇航局肯尼迪航天中心，为发射做准备。

发射登陆

2003年7月7日，“机遇”号探测器搭载在三角洲2火箭上顺利升空，并通过一条长达200余天航程的霍曼转移轨道前往火星。

2004年1月25日，美国 “机遇”号火星探测器成功在火星表面登陆，并向地球发送了信号。后续的几个月，“机遇”号探测器的主要任务是探索其着陆点周围区域，并获取岩石和土壤中的证据，以了解这些地区是否存在水质环境以及是否可能适合维持生命。

开展任务

2004年3月22日，在“鹰”撞击坑内部进行了广泛的考察之后，机遇号爬上了撞击坑的边缘，开始了它在大约750米外的“耐力”撞击坑的阶段性探测任务。从“鹰”撞击坑出来后，机遇号漫游车对仍能看到着陆器、后壳和降落伞的废弃区域进行了拍摄。

当年晚些时候，机遇号漫游车驶入一个区域，它的几个车轮被埋在沙子里，导致车辆无法移动。地面控制人员一次仅能操纵车辆行进几厘米，此后6周时间 “机遇”号处于休眠状态，直到2005年6月以后。

2006年，“机遇”号缓慢向南，朝直径800米的维多利亚火山口驶去，首次抵达直径约300米的埃雷布撞击坑。3月，它开始了朝向2千米外的维多利亚撞击坑之旅，这是一个比勇气号火星探测器和机遇号以前考察过的任何撞击坑都更宽更深的撞击坑。机遇号于2006年9月抵达维多利亚坑，并发回了其边缘的清晰照片。

2007年，机遇号遭受到火星严重的沙尘暴。到7月18日，太阳能电池板的功率仅为128瓦时，到达漫游车的最低允许功率，因此，所有的科学活动都只得暂停。在经过大约六周的沙尘天气，尘暴开始减弱，机遇号又开始正常工作。9月11日，它进入维多利亚火山口，在里面呆了将近一年，向地球上发送了大量信息。之后， “机遇”号的驶向它的下一个目标，直径22千米的“奋进”号陨石坑。在前往途中，“机遇”号发现了“ 马奎特岛 ”岩石，它在组成成分和特征上，与火星上任何已知岩石或火星上的石陨石均不相同。

2010年3月24日，“机遇”号在火星上行驶距离达到20千米，比“勇气”号高了一倍有余，远远超出了原计划的600米。两个月后的5月20日，机遇号打破了海盗1号着陆器创造的，在火星表面连续运行最长时间——6年116天的纪录。 “机遇”号在朝“奋进”号火山口前进时，于2011年6月1日创造了行驶30千米的纪录。最后，经过近3年、21千米左右的行程后，“机遇”号于2011年8月9日抵达奋进号火山口。

刷新记录

2012年底到2013年，“机遇”号围绕着一个地理特征——马提杰维克山展开工作，这个地点能俯看“奋进”坑，分析其岩石和土壤。2013年5月16日，美国航空航天局宣布，通过“ 奋进号航天飞机 ”坑后，机遇号超过了人造物体在另一个星球上行驶的最远距离纪录——35.744千米，这个纪录是1972年12月阿波罗17号最后一次登月的月球车创造的。

2013年8月，机遇漫游车来到索兰德点（Solander Point）考察，这里是很久以前形成了酸性潮湿条件的岩层与一个较老的更中性环境的岩层之间的接触区域，位于“奋进”陨石坑西缘附近的凸起部分。

2014年1月底， “机遇”号在火星表面度过了10年，太阳能电池板的表面相对清洁，使得漫游车的功率增加。7月28日，美国航空航天局宣布，“机遇”号已突破了苏联月球2号漫游车创造的在另一个天体上行驶的39千米距离纪录，而“机遇”号此时已经行驶了40.25千米。一个多月后，美国宇航局宣布，将机遇号工作寿命再延长2年，这也是它第九次任务拓展。

2015年3月25日， “机遇”号已经行驶了42.195千米，从而成为“第一个在另一个星球上完成芝加哥马拉松赛距离行驶的人造物”。6月，由于火星正好处在太阳之后（与地球相对），因此通信受到限制。同时，“机遇”号也迎来火星上的第七个冬季，由于太阳辐射较弱，它被保持在“能量最低”水平，在此期间机遇号的岩石研磨器清除一个火星岩石标本上的灰尘。 “机遇”号还继续考察了22千米宽的奋进号陨石坑的西缘，特别是马拉松河谷南侧，从西到东贯穿奋进撞击坑的边缘。

2016年3月10日，在接近克努森撞击坑顶部附近的目标时，“机遇”号以32°的倾斜坡度行驶，打破了火星上任何探测器行驶的最陡坡度记录。10月，“机遇”号又开始了为期两年的任务拓展，考查奋进号陨石坑西缘的“ 苦根山谷”。次年2月7日， “机遇”号行驶距离突破了44千米，并朝着下一个重大科学目标——毅力谷——缓慢前进。在拍摄了毅力谷中几幅高分辨率全景照片后，6月4日由于左前轮故障，导致漫游车倾斜33°，后经过几次矫正尝试，车轮恢复了正常。7月中旬，“机遇”号进入毅力撞击坑，开始驶入沟壑。截至2017年10月31日，机遇号行驶距离达45.04千米。

任务结束

2018年6月10日，由于一个火星尘暴来袭， “机遇”号与地球的联系受到了极大影响。次年2月12日，处于休眠状态的机遇号未能再度被唤醒。

2019年2月13日，美国航空航天局在与已经失联许久的“机遇”号火星车联系800余次未果后，最终宣布任务结束，并放弃 “机遇号”火星探测器。

基本设计

结构介绍

“机遇”号火星探测器，造价4亿美元，是一个六轮、太阳能动力车，高1.5米、宽2.3米、长1.6米，180公斤重。它携带了高度集成化的科研仪器，由于整个背上几乎都是太阳能电池板，底部又全部是动力系统和结构系统，这些科研仪器基本都安装在火星探测车前部伸出的机械“手臂”上面。在手臂上，既有穆斯堡尔谱仪、阿尔法粒子X射线光谱仪、磁体仪这种能够详细解读岩石和土壤中化学成分的仪器，也有热辐射光谱仪（装于头部）和显微成像仪这种能从远处和微观的近处观察土壤结构图像的设备。为了辅助这些仪器得到研究的样本，它还安装了一个研磨工具，将岩石粉碎。在使用仪器时，火星车需要停下来，将大部分能量集中在机械臂上，机械臂把带有仪器们的前端缓缓抬到要研究的地方放下，仪器才可以开始工作。 “机遇”号和“勇气”号的零部件都载有纽约世贸大楼的金属残片，这些残片重新制成护盾来保护钻孔机械上的电缆。

动力系统

“机遇”号火星探测器的动力来自两块背上的太阳能电池板，它采用了多结太阳能光伏电池、可以吸收并利用太阳多个光谱中的能量，但由于火星表面太阳能远不如地球丰富且大气中布满沙尘，在最好的状态下太阳能仅能提供每天900瓦特小时的能量，不到一度电，平均下来工作效率普遍在半度电水平。而当火星爆发全球性沙尘暴时，漫天的黄沙会急剧减弱太阳光照且附着在太阳能电池板表面，使得一天的产能仅仅为100瓦特小时的能量，火星探测车必须进入休眠状态。为了充分利用能量、尤其是避免夜晚时没有能量来源，在火星车上还安装了两个7 千克重的锂电池以储能。由于电力有限， “机遇”号火星探测器的运动速度是以厘米/秒来计算，极限速度也仅有5厘米/秒，而平均运动速度仅有1厘米/秒。

导航系统

“机遇”号火星探测器携带有大量图像拍照系统以辅助导航和自我轨迹判断。它携带了一个全景相机、导航相机安装在1.5米高的头部，身上还需要携带四个避险相机拍摄前后左右以避免危险。

通讯方式

由于自身能量太弱，不够直接把信号发回地球。因此， “机遇”号火星探测器依赖其他设备帮忙转发和传递信号，由诸如美国的奥德赛号、全球勘探者号、 MAVEN探测器、侦察轨道器等来为它提供数据的传输服务。

着陆方案

在进行大气减速、降落伞减速后，探测器的降落装置必须利用反推火箭工作。但自带反推火箭会导致探测器底部被巨大的燃料箱、发动机、传感器等占据，一旦降落后就会成为死重，这非常不适合本应自由移动的火星探测车执行任务。

所以， “机遇”号的着陆，选择的方案是气囊弹跳方式，即降落伞脱离后，依然采取火箭反推方案进行减速和悬停确定着陆地点。不过此时着陆器又分成两个部分，一部分携带有反冲火箭和燃料罐，另一部分则将火星车折叠后牢牢包裹在巨大的气囊中。着陆器确定好着陆区域后，会将气囊弹出并用绳索牢牢吊住，稳步下降命令下达后绳索断裂。气囊在距离火星地表数米处释放，随后在地面经过多次弹跳后稳定下来。巨大气囊内部往往有平衡设备，能保证气囊停止后折叠的火星探测车跟地面保持正确的姿态，随后气囊打开，火星车缓缓展开并驶出，这个技术在探路者号任务时已经成功验证。

性能参数

参考资料：

总体评价

十多年来，“机遇号”一直是行星探索领域的标志之一。它向我们讲述了火星过去曾是一个潮湿的、可能适合居住的星球。“机遇号”为人类揭示了一个未知的火星景观。（美国宇航局科学副主任托马斯·佐伯琴评）

“ 机遇号 ”的原设计寿命仅为90个火星日，因为按照计划，该设备无法熬过火星冬季。然而“机遇号”成功抵御零下125 摄氏度的低温，运作了近15年的时间，为人类探索火星做出了巨大贡献。（“机遇号”项目负责人约翰·卡拉斯评）

再见了，“火星哨兵”机遇号！ “机遇”号已经创造了奇迹：它于 2003 年 7 月 8 日发射升空，原本计划的任务期限是 90 天，但它一直工作了 15 年。它在这颗红色星球上的总行驶里程超过 45 公里，创造了人类探测器在外星的最长行驶距离纪录，获得了包括火星上曾存在“可饮用的水”等重要发现。没有鲜花掌声，没有庆功宴会，在辛勤劳作15年后，机遇号终于在遥远的异国他乡迎来了退休的这一天。不过遗憾的是，它或许再也无法回归地球的怀抱。如今，它永久卸下火星前哨的重担，成为驻留火星的一座丰碑。（文汇报评）

勇气号火星探测器和机遇号火星探测车比1997年的火星探路者漫游车机动性大得多，能行驶数英里穿越火星表面，进行野外地质和大气观测。两辆漫游车向地球发送了数十万张壮观、高分辨率、全彩的火星地形图像，以及岩石和土壤表面的详细微观图像。四个不同的光谱仪积累了关于火星岩石和土壤的化学和矿物组成海量信息。利用两个漫游车的数据，科学家重建了火星被水淹没的古老历史。勇气和机遇号各自找到了过去潮湿条件的证据，这些证据可能支持微生物曾经存在过的假说。机遇号对“鹰”和毅力号撞击坑的研究揭示了过去蒸发形成富含硫酸盐的沙子、沙丘间湖泊的证据。两个火星漫游车发现了各种岩石，表明早期火星的特点是撞击、剧烈的火山喷发和地下水的共同作用。总的来说，它发现了火星上古代存在液态水的证据。（科技导报评）