距離美國國家航空航天局（NASA）主導的「Mars 2020」火星探測任務發射僅剩10周的時間，近期本次火星探測任務的核心——「毅力」號火星漫遊車（Perseverance Rover）也已經完成了載荷平衡試驗，並在進行最終的調試。「毅力」號將在「宇宙神」5-541運載火箭和「半人馬座」上面級的協助下降落在傑澤羅隕石坑（Jezero Crater），並將肩負著探測火星地質、尋找火星生命跡象、嘗試利用火星大氣製造氧氣等艱巨任務。
一、火星探索歷程
歐美過去20餘年的火星探索表明，火星曾經與今天這個寒冷、乾燥的星球有很大的不同，數十億年前的火星環境是潮濕的，並且很可能生存過微生物。
二、「毅力」號使命及任務方式
1.使命
確定火星上是否曾經存在生命：「毅力」號的任務重點是研究火星表面環境，在岩石樣品中尋找生命跡象和尋找過去曾存在生命的證據；
研究火星氣候狀況：「毅力」號依靠搭載的先進設備考察火星氣候狀況，為研究人員判斷火星是否具有宜居的可能性收集數據；
研究火星的地質特徵：「毅力」號將通過研究岩石土壤，揭示火星地殼和地表長年演變的過程，隕石坑和山脈中的岩層可能包含了火星過去的地質記錄；
為人類探索做好準備：「毅力」號會驗證利用火星資源支持生命和製造燃料的關鍵技術，還會監測大氣環境並收集數據，為未來登陸火星提供參考。
2.任務方式
「毅力」號最具創新意義的是採用了「站點緩存」任務策略。「毅力」號可以收集岩石和土壤的岩心樣品，並將它們放在火星表面的「緩存站點」中。這是一種收集、存儲和保存樣品的嘗試，也是首次從火星岩石和土壤中提取岩心樣品。在未來的火星探測任務中，太空人可能會把這些樣品帶回地球進行研究。
如上圖所示，「毅力」號安全降落後從著陸點沿著實心白線行駛，到達第一個採集點後取樣，繼續行進並在第二個採集點取樣。「毅力」號在第二個採樣點「緩存」樣品，並繼續沿圖示虛線執行拓展任務，每次拓展任務取樣後都會回到第二個採集點「緩存」樣品。預計「毅力」號將在火星表面運行一個火星年（約687個地球日）。
「毅力」號具體任務目標為：
- 描繪探索區域內的地質形成變化，尋找曾有生命存在過的證據；
- 判斷火星遠古時期是否具有宜居的環境；
- 收集具有生命特徵的土壤樣品（如有）；
- 從大約30塊岩石和土壤（風化層）中鑽取具備上述任務特徵的岩芯樣本，並將其「緩存」在火星表面；
- 嘗試利用火星大氣製造氧氣；
- 收集火星大氣中塵埃顆粒的信息數據，檢驗其對人體健康的影響；
- 收集火星氣候的數據用來驗證火星氣候模型。
三、「毅力」號研製歷程
四、「毅力」號的整車設計
1.整體概況
「毅力」號的設計是在「好奇者」號的基礎上開展的，主要材料為鋁合金和鈦合金，整車大約3米長、2.7米寬和2.2米高，整車僅重1025千克，配有一條長約2.1米的機械臂，機械臂由五節構成並且可以隨意轉動。「毅力」號有六個鋁製車輪（直徑52.5厘米），每個車輪由鈦合金制輻條提供彈性支撐，鋁製車輪上還覆蓋有用於牽引的防滑釘，在平坦、堅硬的地面上，最高速度為每小時152米。「毅力」號主要動力來源為多任務放射性同位素熱電發動機（MMRTG），熱源為4.8千克的二氧化鈽。「毅力」號搭載了七種高精尖設備以完成上述任務目標，分別是：
- 具有全景和立體成像功能的高級相機系統MASTCAM-Z
- 火星環境動力學分析儀MEDA
- 制氧儀器MOXIE
- X射線行星岩石分析儀器PIXL
- 火星地下實驗雷達影像儀器RIMFAX
- 生命跡象探測設備SHERLOC
- 雷射掃描儀器SuperCam
2.車身車輪結構
火星地表平均氣溫僅為-46℃，夜晚最低溫度低至-140℃，「毅力」號車身主要作用是保溫和保護車載電腦和內部系統。車身底部和側面是機箱的框架，上部由「設備甲板」覆蓋，非常類似於敞篷車，桅杆和相機能夠平穩地放置在甲板上。另外車身底部的前端（距離前端約0.6米處）設有腹板，當整車平穩降落後腹板內部空間會暴露在火星大氣中，這部分空間將用來存放土壤樣品。
「毅力」號六個車輪都有自己獨立的馬達，前輪和後輪還各有單獨的轉向馬達，這樣可以讓整車在原地自由進行360°旋轉。六個車輪採用「搖臂-轉向架」（rocker-bogie）的懸掛系統，懸掛系統由差速器、搖臂和轉向架構成，在起伏的地面上行駛時，懸架系統可以使每個車輪上承載相對恆定的重量，還可以在行駛時最大程度降低車輛的傾斜度，使車輛更加穩定。
3.機械臂結構
機械臂總長2.1米，具有五個自由度，分別是肩部方位角節點、肩部高度節點、肘部節點、腕部節點和轉台節點，每個節點由微型電動機（rotary actuators）控制。機械臂的末端是一個轉台，轉台上安裝有X射線行星岩石分析儀器（PIXL）、氣態除塵工具（GDRT）、生命跡象探測設備（SHERLOC）、輔助照相機（WATSON）和鑽頭（Drill）。
轉台鑽頭有三種不同的類型（取芯鑽頭、風化層鑽頭、磨砂鑽頭），每個鑽頭直徑為27毫米，取芯鑽頭和風化層鑽頭用於直接將火星樣本收集到樣品收集管中，而磨砂鑽頭用於刮除岩石表層，使未風化的表面暴露方便研究。取芯鑽頭可以從岩芯鑽取樣品，並將岩芯樣品從底部切碎，完整收集到樣品收集管中，平均每個岩芯樣品直徑13毫米，長60毫米，重10-15克；風化層鑽頭可以在火星表面收集鬆散的岩石材料或風化層。
「毅力」號可以攜帶43個樣品收集管和5個對照管。當機械臂收回採集的樣品時，車身底部的小型機械臂將收集管準備就緒，並協助轉移、封裝、存放裝有樣品的收集管。
5個對照管是試驗中的對照組，將提前裝有各種「污染物」，包括「毅力」號自身可能釋放出的氣體、點火或推進裝置的化學殘留物、地球上的可能隨「毅力」號帶到火星表面的有機物和無機物，且對照管中不會收集任何的樣品。對照管會在樣品收集地點或樣品存儲地點周邊打開，暴露在火星的大氣中。
4.動力系統
「毅力」號通過多任務放射性同位素熱電發動機（MMRTG）獲取動力。MMRTG可以將二氧化鈽放射性自然衰變釋放出的熱量轉換為電力，並且向兩個鋰離子主電池充電，工作功率約為110瓦。MMRTG釋放出的熱量還可以用來為車體保溫，保證各儀器都在合適的工作溫度中。MMRTG安裝在「毅力」號的尾部，直徑64厘米、長66厘米，重量約為45千克，其中二氧化鈽重4.8千克。
MMRTG的工作壽命可達14個地球年，足以保證「毅力」號一個火星年（約2個地球年）的任務需求。另外MMRTG提供的熱量可以讓「毅力」號在黑夜和整個冬季都能正常工作。
5.旋翼無人機
「毅力」號另一創新點在於攜帶旋翼無人機登上火星，這是人類首次在另一個星球嘗試旋翼飛行。攜帶旋翼無人機的目的只是一次在火星稀薄空氣進行自動控制飛行的實驗，所以並未攜帶任何科學測量儀器。在「毅力」號落地後數月內，旋翼無人機會被放置到地表，利用太陽能為電池充電，並依靠內部加熱器在寒冷的火星夜晚保持工作溫度。旋翼無人機在接收到通過「毅力」號中繼的來自地球的指令後，在沒有人員實時控制的情況下自行起飛。
旋翼無人機重約1.8千克，只攜帶了無線電系統、慣性傳感器、高度計、彩色照相機和黑白照相機等設備。旋翼由碳纖維製成，分為上下兩層，長1.2米，轉速為2400轉/分鐘。
五、「毅力」號搭載的儀器
1.「毅力」號處理器
「毅力」號有兩個計算模塊（Rover Compute Element,RCE），當一台RCE工作時另一台處於閒置狀態，閒置RCE可以隨時啟動接管任務。RCE的處理器是有防輻射設計的BAE RAD 750，運行速度可達200MHz,與車載工程設備、科學儀器通過航天標準的接口直接相連，可以直接下達命令、交換數據。RCE存儲能力也十分強大：2G快閃記憶體（flash memory）、256MB內存（ROM）、256KB只讀內存（EEPROM），可以在太空和火星表面的極端輻射環境中穩定工作。
RCE第一項重要任務是確保「毅力」號的「健康」。RCE會實時記錄「毅力」號的車內溫度、電池電量等多方面數據，保證車輛能夠在整個任務中通信暢通和溫度穩定，RCE可以根據車內溫度自動控制MMRTG的工作功率；RCE第二項重要任務是確保「毅力」號與地球的信息交互，照相、行駛、使用車載科學儀器等動作都是由地球發送指令，經RCE處理後執行。RCE會周期性的收集車況、遙感數據、科學分析資料等信息並存儲，可以隨時向地球發送這些信息。
2.SuperCam麥克風和EDL麥克風
NASA曾在1999年火星極地登陸器和2008年「鳳凰」號火星登陸器安裝過麥克風，但都以失敗告終。「毅力」號SuperCam麥克風是用於捕獲火星地表探測中的聲音，EDL麥克風是用於捕獲降落過程中聲音。
SuperCam麥克風重約30克，安裝在「毅力」號桅杆頂端的吊杆上。當SuperCam開啟時，SuperCam麥克會記錄幾毫秒的聲音，或是在車輛工作過程中打開捕獲火星表面的風聲、「毅力」號車輪摩擦聲、機械臂的聲音。SuperCam的雷射擊中岩石時會產生爆破聲，岩石材料特性的不同，聲音會有細微的不同，SuperCam麥克捕獲的聲音對於分析岩石樣本有重要作用。
EDL麥克風安裝在車體外側，降落時會自行打開，主要用於記錄「毅力」號降落過程中產生的摩擦大氣的聲音、風聲以及落地時塵土的聲音。EDL麥克風記錄到的音頻也將直接添加到EDL相機拍攝的視頻當中。
3.天線裝置
「毅力」號的三根天線都位於車身甲板上，三根天線功能十分靈活且可以互相補充。
超高頻天線（Ultra-High Frequency Antenna,UHF,400MHz）位於車身後部，通過NASA發射的火星軌道衛星中繼後與地球通信。UHF先將無線電信號上傳至火星軌道衛星，速度可達2MB/秒，然後中繼衛星使用更大的天線將數據傳回地球，火星和地球相對位置的變化使得UHF無線電信號傳達到地球需要5-20分鐘時間。
X波段高增益天線（The X-Band High-Gain Antenna,7000-8000MHz）位於桅杆後側，橫截面為六角形，直徑0.3米，可以自行旋轉調整天線指向。X波段高增益天線可以直接長鏈連接位於地球的Deep Space Network（DSN）天線，對DSN直徑為34米的天線傳輸/接收速度為160/500B每秒，對DSN直徑為70米的天線傳輸/接收速度為800/3000B每秒。
X波段低增益天線（The X-Band Low-Gain Antenna,7000-8000MHz）主要用來接收來自各個方向的信號。由於X波段低增益天線不能調整方向故接收信號的速度很慢，對DSN直徑為34米的天線接收速度為10B每秒，對DSN直徑為70米的天線接收速度為70B每秒。
4.工程相機
「毅力」號搭載了9個工程相機，分別是障礙規避相機（Hazard Avoidance Cameras,HazCams）6個、導航相機（Navigation Cameras,Navcams）2個、採樣記錄相機（CacheCam）1個，主要作用是：（1）測量掃描「毅力」號周邊的地形，輔助其行駛；（2）檢查「毅力」號自身硬體的工作情況；（3）輔助岩石樣品採集。以上這些工程相機的機身是相同的，只是根據任務不同使用了不同的鏡頭，其中HazCams和Navcams具有2000萬像素的廣角鏡頭，拍照大小為5120×3840p。
HazCams位於車身的前端（4個）和後端（2個），可以用於探測「毅力」號前方和後方的障礙物，如大塊石頭、深溝、沙丘等。前置的HazCams還可以觀察機械手臂的動作，協助研究人員移動機械手臂。「毅力」號在前進過程中會時不時停下來，HazCams此時可以拍攝3D圖像評估潛在的障礙物，根據這些3D圖像「毅力」號自行判斷和設計前行路線。
Navcams位於桅杆頂端，主要功能是當「毅力」號自主導航時幫助研究人員觀察其是否行進安全，研究人員可以通過Navcams看到25米外高爾夫球大小的物體。「毅力」號開始「盲驅」（「盲驅」指研究人員直接下令讓車輛朝某個方向行進某段距離）前，Navcams可以首先判斷道路是否安全。
CacheCam是一個單獨的相機，專門用於拍攝採樣樣品。在採樣之前、採樣管密封之前，CacheCam都會拍一張樣品的照片，這樣研究人員可以觀察到採獲的樣品並且記錄下樣品最初的情況。
5.科研儀器
（1）全景立體成像高級相機系統（The Mast-mounted camera system,Mastcam-Z）
Mastcam-Z是一套基於「好奇者」號Mastcam開發的多光譜、立體成像設備，能夠在「毅力」號移動過程中對遠距離的物體進行拉近、對焦以及拍攝彩色3D照片和視頻，是「毅力」號的「主眼」。Mastcam-Z還配備了高通濾波器（400-1000nm）和太陽濾鏡，能夠區分未風化和風化的材料並且可以直接面對太陽成像。
重要作用
1.放大觀測目標，可以清晰觀察到100米外的物體
2.具有全景視角，可以水平方向360°旋轉，上下180°旋轉，方便觀察火星表面地質
（2）火星環境動力學分析儀（The Mars Environmental Dynamics Analyzer,MEDA）
MEDA是一款監測火星環境的裝置，可以監測火星表面的風速、風向、空氣溫度、地表溫度、相對濕度和紫外線、可見光和紅外線的輻射範圍。MEDA獨立於「毅力」號的控制，在整個任務周期中，MEDA每小時都會來，在傳感器測量記錄數據後，它會立即進入睡眠狀態。
（3）制氧系統（The Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment,MOXIE）
MOXIE在「毅力」號的布局和原理圖
MOXIE是一次利用火星大氣中的二氧化碳製造氧氣的嘗試，下表格是MOXIE裝置的具體情況：
MOXIE首先利用吸收加壓裝置（Acquisition and Compression,CAC）將經「毅力」號過濾的二氧化碳加壓至1個大氣壓，然後經過固體氧化物電解槽（Solid OXide Electrolyzer,SOXE）電解後從陽極釋放出氧氣，副產物為一氧化碳。SOXE工作溫度為800℃，這需要複雜的熱隔離系統，且輸入氣體需要預熱，廢氣需要冷卻。另外可以通過SOXE的電流直接測量氧氣的產生速率。根據氣流的流速和火星大氣組成可以計算出氧氣的轉化效率，SOXE能夠通過控制二氧化碳流速、溫度和電壓對氧氣轉化過程進行優化。
（4）X射線行星岩石分析儀（The Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry,PIXL）
PIXL是一種微焦點X射線螢光儀器，可以通過X射線聚焦到目標上來快速測量亞毫米尺度的元素化學並分析X射線螢光。PIXL由車身中的傳感器、校準器件和安裝在機械臂上的傳感器組成，機械臂上的傳感器包括X射線源、X射線光學器件、X射線檢測器、高壓電源、微型計算機以及發光二極體等。PIXL可以檢測Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Br、Rb、Sr、Y、Ga、Ge、As、Zr以及稀土元素（如Rb、Sr、Y和Zr）等。
（5）火星地下雷達影像儀（The Radar Imager for Mars'Subsurface Experiment,RIMFAX）
RIMFAX的原型是傳統的探地雷達，探地雷達技術已經在地球廣泛應用於工程、科學研究當中，十分成熟可靠。RIMFAX工作頻率在150MHz至1200MHz之間，在自由空間垂直方向的理論解析度最高可達14.2厘米。
RIMFAX由「毅力」號控制，可以單獨在不同模式下發出雷達波，用於探測不同深度地底情況，在「毅力」號移動時可以每隔10厘米各產生一對淺-淺和深-淺的交織雷達波。
（6）有機物掃描設備（The Scanning Habitable Environments with Raman&Luminescence for Organics&Chemicals,SHERLOC）
SHERLOC是一種臂裝式深紫外（DUV）共振拉曼和螢光光譜儀，它利用波長248.6nm的深紫外雷射照射在小於100微米的區域內。雷射會被集成到一個自動聚焦/掃描光學系統中，並被同軸地透視到一個空間解析度為30微米的成像儀中。
SHERLOC可以對火星表面和地下的有機物和礦物進行非接觸式、高靈敏度的檢測和表征，可以評估火星過去的水文歷史，檢測可能存在的生物特徵。
機械手臂可以在待觀察表面上方48毫米的位置直接進行自動對焦，SHERLOC利用內部掃描鏡能夠觀察7×7mm的區域。此外，在鑽頭取下岩心後SHERLOC可以對鑽孔內部岩石直接進行分析。
（7）超級雷射相機（SuperCam）
SuperCam安裝了Laser Induced Breakdown Spectroscopy（LIBS），可以利用波長1064納米的雷射探測距7米以內的目標；安裝了拉曼光譜儀（Raman spectroscopy），可以用波長532nm的雷射探測12米遠的目標；安裝了分時螢光光譜儀（Time-Resolved Fluorescence spectroscopy）和可見和紅外反射光譜儀，可以直接探測分子結構；使用了彩色遠程顯微成像儀（color remote micro-imager）獲取樣本的高解析度圖像。
六、小結
美國已經在多次火星探索中積累了深厚的經驗,「火星2020」探測任務中的「毅力」號將完成多項從未開展的任務，這將是人類登陸火星重要的奠基石。同時，我國也計劃於2020年開始進行一系列的火星探索，「毅力」號對我國火星探測工程具有深遠的啟發意義。