自从2020年7月30日发射以来 ， 经过将近7个月的旅途奔波 ， 毅力号火星车将于2021年2月18日在火星降落 。 这将是美国宇航局第5个成功登陆火星的火星车 。 之前的四个分别是：1997年登火的旅居者号 ， 2004年成功着陆的勇气号和机遇号 ， 2012年的好奇号 。
从旅居者号到好奇号 ， 代表了美国发展的三代火星车 。 旅居者号严格来说只是一个实验品 ， 重量只有11.5千克 ， 跟小孩玩的滑板车差不多大小 ， 主要是起到技术验证的目的 。 勇气号和机遇号就是比较完善的火星车设计了 ， 重量达到了185千克 ， 与中国的天问一号重量为240千克的火星车相比 ， 两者重量差不多 ， 都使用太阳能电池板供电 。 做为第三代火星车的好奇号 ， 重达899千克 ， 大小与一部小型家用轿车相当 ， 使用核电池供电 。
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美国三代火星车
毅力号火星车与好奇号差不多 。 实际上 ， 可以把毅力号看作好奇号的备份车 ， 其很多部件都是与好奇号一同制作的 。 当年勇气号和机遇号前后脚登陆火星 ， 其实就是彼此做为备份 。 由于美国登火成功率很高 ， 在好奇号成功登火之后 ， 毅力号就暂时不必发射了 。
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毅力号火星车
这次毅力号火星车降落火星 ， 任务与好奇号有很大的不同 。 从勇气号、机遇号到好奇号 ， 它们的任务都比较类似 ， 即观测火星的环境 。 而毅力号的目的 ， 更多地是为了探测火星的生命 ， 即火星是否存在过生命 ， 以及火星是否还有生命的迹象 。 为实现这一目标 ， 毅力号除了配置了相应的仪器设备之外 ， 还特意选择了着陆地点 ， 杰泽罗陨石坑 。 此外 ， 毅力号还是美国火星取样返回工作的第一步：在未来会有后续的任务将毅力号采集的样本带回地球进行深入分析 。 下面就让我们分别来说一说 。
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美国/欧洲联合火星取样返回任务规划图
毅力号着陆地点叫做杰泽罗陨石坑（Jezero Crater） 。 这个陨石坑处于大塞提斯高原（Syrtis Major）和依希地平原交界处 。 这个陨石坑的直径有49公里 。 杰泽罗是波斯尼亚和黑塞哥维纳的一个小镇 。 在斯拉夫语中 ， jezero有湖泊的意思 。
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杰泽罗陨石坑的位置
2007年的时候 ， 科学家通过分析火星照片后认为 ， 在火星远古时期 ， 大约39亿到35亿年间 ， 这里曾经是一个湖 ， 而且水深达250米 。 在下图的卫星伪彩色照片中显示的是陨石坑边缘 。 可以很清晰地看到 ， 这个区域有流水冲刷成的三角洲 ， 还有河道 。
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杰泽罗陨石坑边缘伪彩色照片
有水就有可能有生命 。 假如远古火星时期真的出现过生命的话 ， 这样的地点搜索实在是再好不过了 。 此外 ， 在这个区域还有粘土沉积 ， 也非常适合保存火星生命遗迹 。 因此 ， NASA在2018年宣布杰泽罗陨石坑做为毅力号的登陆地点 ， 范围见下图中的黄圈 。
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图中黄圈内是毅力号降落的位置
毅力号携带了岩石钻探取样设备 。 钻取的岩芯样本除了可以在本地进行初步分析之外 ， 还能存储起来 ， 用于未来的取样返回 。 为什么要把样品送回地球呢？这里有两个原因 ， 一是在地球分析可以做得更充分；另外一个原因 ， 与嫦娥五号取样返回模式类似 ， 也是为未来人类登上火星做准备 。 这次美国火星取样返回任务流程相当复杂 ， 让我们细细到来 。
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毅力号火星车上面的设备
首先 ， 除了毅力号之外 ， 后续任务的细节并没有确定 ， 但很有可能这是美国与欧洲之间的合作项目 。 这次毅力号火星车上的很多设备就有欧洲国家的份 ， 比如摄像头来自法国、西班牙 ， 激光测距仪是意大利的 ， 等等 。 毅力号在火星的头几年 ， 要把采样的土壤放到一个管子里 ， 密封起来 ， 然后放到一个罐子里 ， 先存起来 。
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装土壤的容器（示意图）
到2026年 ， NASA会再发射一部火星着陆器 ， 预计在2028年8月在毅力号附近着陆 。 这个着陆器上携带了一台小火星车 ， 着陆成功之后会慢慢驶向毅力号 ， 取回毅力号采集的样本 ， 再送回着陆器那里 。
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预计2026年发射的火星上升器和取样品小车
这台火星着陆器本身也带一个上升器 。 取样品小车把带回来的样品盒子送入上升器中 。 大约在2029年春季 ， 上升器点火升空 ， 把样品送入火星低轨道 。
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在火星上点火发射
同样在2026年 ， 欧洲会发射一枚火星轨道器 ， 将使用正在开发中的阿丽亚娜6运载火箭 。 阿丽亚娜6的运载能力大致相当于长征五号 。 2027年到达火星后 ， 将于2028年将轨道降低到火星低轨道 。 等到2029年上升器升空时 ， 与上升器回合 ， 上升器将土壤样品盒子送入轨道器 。
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轨道器与样品容器汇合
然后再等到2031年地火接近的发射窗口 ， 轨道器点火并于2031年返回地球 。 不过距离2026年时间还早 ， 很多的技术细节尚未最终确定 ， 在实现上会有很多变数 。 不过从2031年的时间点来说 ， 美欧载人登火的时间 ， 很可能在2037年左右 ， 宇航员用3年左右实现地球到火星的往返旅程 。
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整个火星取样返回的流程
【火星|毅力号：美国火星取样返回的第一步】在火星取样返回方面 ， 中国也不甘落后 。 规划中的天问二号将实现火星取样返回 。 大致的计划是这样的 。 首先 ， 这次天问一号火星车也会取一些样品并存起来 。 到了2028年11月 ， 用一枚长征3B发射取样品的着陆器到火星 ， 再用长征五号发射轨道器 。 同样是2031年返回地球 。
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天问探测器属于中国行星探测计划
假如中国和美欧的取样返回计划都能顺利实施的话 ， 到了2031年 ， 中国与美欧在火星取样方面 ， 算是打个平手 。 或许同样到了2037年 ， 随着长征九号运载火箭的成熟 ， 中国宇航员也要奔向火星了 。
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