全人类最强大的火星探测器已经着陆，它到底强大在哪里？

　　NASA毅力号火星探测器相机系统

　　毅力号火星探测器配备了新一代工程相机成像系统，这是对以往火星探测器任务的升级。这些升级将提高毅力号的可操作能力，重点是驱动规划、机械臂操作、仪器操作、样本缓存活动以及进入、下降和着陆EDL期间关键事件记录功能的升级，这些我会慢慢在本文说明。首先我将为大家介绍23个相机组成的成像系统，这23个相机分为两个部分，分别是工程成像系统和科学相机系统，工程相机系统共有16台摄像机，其中9台用于地面作业，7台用于EDL记录文件，为地面作业设计的摄像机有3种，两个导航摄像机、六个危险避障摄像机和一个高速缓存摄像机，我再重复一下，这是9台用于地面作业的相机。

　　导航摄像机可以以96739673136102136102的分辨率以0.46mrad/像素获取表面的彩色立体图像。Cachecam是一种新型相机，它将在高速缓存操作期间以12.5微米/像素的空间尺度获取样本管内火星物质的图像。着陆EDL摄像机有5种类型：三个降落伞上传摄像机、一个下降阶段俯视摄像机DDC、一个上传摄像机RUC、一个漫游者下降摄像机RDC和一个着陆器视觉系统LVS摄像机LCAM。DDC连接到下降阶段并指向下方，它将通过捕捉火星车下降时的视频来描述车辆动力学，这是为下一次着陆做准备。安装在漫游者上并向上看的RUC将从漫游者的有利位置捕获高清视频，还将获取下降阶段飞行事件的视频。RDC连接在火星车上向下看，它将通过在火星车着陆之前、期间和之后对火星表面成像来记录羽流动力学。LCAM安装在火星车底盘底部，指向下方。这是着陆用相机，一共有9个。我这里说的一共有18台相机，是因为有一些相机单算了，其实它是一个模块，两个或者三个算一个模块，也就是一个相机，不过大家可以认定是23个相机，具体他们是怎么分相机模块的我没记清楚[捂脸]。

　　美国国家航空航天局NASA对毅力号的升级主要在三个关键领域，第一个领域是火星车地面操作，包括驾驶、机械臂操作和科学仪器操作等活动。第二个领域包括火星车自适应缓存组件ACA内样本处理和处理操作。第三个领域包括进入、下降和着陆EDL系统的性能和操作文件。总体而言，新一代成像系统提高了毅力号任务的能力，所以这就是我重点介绍毅力号相机系统的原因，接下来我将为大家介绍毅力号科学相机的硬件及其他科学仪器。

　　除了刚才说到的16个工程摄像头外，火星车上还有7个摄像头专门用于特定的科学研究，首先是两个Mastcam-Z相机，它可以使用变焦镜头获取具有匹配可变焦距的彩色3D立体图像。第二个需要介绍的是超级摄像头，它使用了最新一代远程显微成像仪RMI，它可以获取光谱仪器观测的背景图像。第三个是PIXL，也叫做X射线岩石化学行星仪，该仪器可以使用微型背景摄像机MCC获取背景图像和投影激光基准标记的图像。第四个需要介绍的SHERLOC，也叫做有机物和化学品拉曼扫描摄像头，哦对了，有两个SHERLOC摄像头，SHERLOC和WATSON可以一起使用拍摄可操作和工程的广角地形照片。它有点特殊，美国宇航局工程师将这三个摄像机归类为一个，这其实就是科学相机的模块划分，和工程相机是一个道理。

　　第五个是MEDASkyCam摄像机，它可以拍摄获取火星天空的图像，作为大气科学仪器系统的一部分。第六个和第七个摄像机Navcam和Hazcam可以为这些科学摄像机提供目标定位支持和背景成像。也就是说毅力号共有23个摄像头（16个工程摄像头和7个科学摄像头）。这张配图列出了摄像头和位置。

　　接下来我们进行第二个阶段，毅力号的7个科学相机，我将为大家一个一个分段介绍。

　　MastCam-Z是一对可以拍摄彩色图像和视频、三维立体图像的相机，上面也说过了，并且具有强大的变焦镜头。与好奇号火星车上的Mastcam摄像头一样，毅力号上的Mastcam-Z由两个安装在桅杆上的双摄像头系统组成，桅杆可以从火星车甲板上竖立起来。这两个相机彼此相邻，指向同一个方向，提供了一个类似于人眼所能看到的3D视图，效果比人眼要好得多，它们拍摄的照片还具有缩放功能，可以看到远处目标的细节。

　　超级摄像头SuperCam可以向探测器机械臂无法触及的岩石目标发射激光，然后分析蒸发的岩石等离子气体以揭示其元素组成。SuperCam在7米以外可以以小于1毫米的精度发射激光脉冲，它的照相机和光谱仪将在瞬间检查岩石的化学性质。刚才我说过了，当激光击中岩石时，会产生等离子体，这是一种由自由漂浮的离子和电子组成的极热气体。机载光谱仪记录了等离子体的光谱，揭示了材料的成分。哦对了，无论是发射分析激光，还是拍照分析光谱和物质都是瞬间的，精度极高。这让我想到了激光武器，定点打击。

　　SuperCam

　　PIXL相机可以使用X射线荧光来识别像一粒食盐一样小的目标点中的化学元素，它有一个微型背景摄像机，这是配套的，它们两个可以提供目标区域的图像，包括背景图像，并将其元素组成图与目标区域的可见特征相关联。

　　SHERLOC相机的主要工具是光谱仪和激光，但它也可以使用一个微距相机来拍摄研究区域的极端特写镜头。科学家可以看到岩石的纹理，这对于研究火星岩石形成的环境有很大帮助，甚至是决定性因素之一。

　　WATSON

　　WATSON相机是毅力号机械臂末端的的工具之一，它几乎和好奇号火星车上机械臂末端的相机一模一样，只不过WATSON可以捕捉更大的背景图像，以获取收集的有关火星矿物目标的非常详细的信息，WATSON提供了火星岩石和岩石碎片还有尘埃表层的精细结构视图。由于WATSON可以在机械臂上四处移动，它还可供其他臂装仪器使用。例如，可以将其指向制氧实验MOXIE，以帮助监测MOXIE吸入火星空气以提取氧气的入口周围收集了多少灰尘。

　　NASA毅力号火星探测器整体结构

　　接下来的内容我将为大家介绍毅力号其他科学仪器，相机及其相机模块的部分就到这里了。

　　放眼整个毅力号火星探测器，一共有以下七个结构，分别是：

　　车身：保护探测器内部科学仪器的结构大脑：处理信息的计算机温度控制系统：内部加热器、绝缘层，线缆等颈部和头部：一个桅杆摄像头，为毅力号提供人的视角眼睛和耳朵：为探测器提供环境信息的摄像机和仪器，刚才说的工程相机和科学相机就属于这个部分手臂和手：一种延伸其范围并收集岩石样本以供研究的方法车轮和腿：机动性部件电源：核动力电源通信系统：用于说话和听的天线，也就是用于上传数据和下载数据的天线

　　好奇号和毅力号火星探测器的对比

　　好奇号与毅力号一个重要的区别是，毅力号可以采集和储存矿物。为了做到这一点，火星车有一个新的取芯钻来采集样本，然后将这些样本密封在试管中，放在火星表面。未来，另一项太空任务可能会提取这些样本，并将它们带到地球进行详细分析。除此之外，毅力号有一个更大的机械臂，火星2020的新功能和新的科学工具意味着它必须在机械手臂末端容纳一个更大的科学仪器。机械手臂有取芯钻和两个科学仪器，加上一个用于近距离表面检查的彩色摄像机，还有用于工程健康检查的自拍工程摄像机。另外，毅力号用的核动力能源与好奇号的不同，控制器电子元件，电机等等已经进行了全面升级，至于哪些地方做了升级，如题题目写了，关于核动力能源和毅力号的核心处理原件我只说这一个升级。

　　毅力号火星探测器样品回收容器

　　毅力号与好奇号的运行方式也截然不同，毅力号将收集20个密封的火星岩石和土壤样本，这些样本将被放在火星上的储藏室里。除了管理新的采样系统，毅力号火星探测器还可以更有效地管理其所有日常活动，以平衡其现场科学测量，同时还可以收集样本以备将来可能的分析。为了做到这一点，火星车的驱动软件，也就是毅力号的系统也被升级，使毅力号比好奇号拥有更大的独立性，更多的功能已经与人工智能结合。

　　此外，相比于好奇号，美国宇航局工程师们还在飞行软件中添加了一个人工智能规划器系统。这样可以更有效和自主地使用电力和毅力号漫游者的其他资源，这个系统允许漫游者改变一些活动的时间，以利用日常运营计划时间中的空缺。

　　当然了，美国宇航局在毅力号着陆之后发布的第三张照片中，大家看到了毅力号的新车轮，没错，这也是相比于好奇号和过去所有火星车升级的一个地方。美国宇航局工程师们重新设计了毅力号火星探测器的车轮，使之更加坚固，因为好奇号火星车的轮子在尖锐的岩石上行驶时会磨损，磨损的程度大家也看到了。毅力号的车轮比好奇号的窄，但直径更大，由更厚的铝制成。

　　更大的仪器套件、新的采样和缓存系统以及改进的车轮等等使得毅力号比好奇号更重。

　　NASA毅力号火星探测器的中央处理系统

　　接下来我们来聊一个重要的问题，毅力号火星探测器的“大脑”，刚才说到的更好的规划时间，更多的自主性，主要升级就是毅力号火星探测器的人工智能与计算机大脑的升级，也就是毅力号中央处理系统的问题。这个模块也被称为漫游者计算元件RCE，毅力号有两个完全相同的RCE，而RXEs是备用的。RCE可以通过两个网络与火星车的工程功能连接，这两个网络遵循航空航天工业标准，该标准专门针对飞机和航天器的高可靠性要求而设计。此外，RCEs还有一个特殊用途，即直接与所有的科学仪器进行接口，以交换命令和科学数据。毅力号火星探测器的中央处理系统经过辐射硬化处理，毅力号的中央处理系统是勇气号和机遇号火星探测器计算机运行速度的10倍。

　　NASA毅力号火星探测器天线

　　NASA毅力号火星探测器的天线系统

　　毅力号有三个天线，也就是我文章开头说到的“耳朵”，它们位于毅力号的背面。拥有多个天线可提供操作灵活性和许多备份选项，以备不时之需，这些天线分为三个模块，分别是UHF超高频天线，X波段高增益天线和X波段低增益天线。

　　一般来说毅力号会通过使用其超高频UHF天线（约400兆赫）与NASA环绕火星的轨道飞行器进行通信。由于毅力号和美国宇航局火星轨道器的距离很近，与低增益和高增益天线提供的与地球的远程通信相比，它们的作用就有点像对讲机。

　　根据行星的位置，一个无线电信号在火星和地球之间传播一般需要5到20分钟，火星的话是11分钟，所以使用轨道器传递信息是有益的，因为它们比地球上的深空网络DSN天线更接近火星探测器。质量和功率受限的毅力号可以在相对较短的距离中继链路上实现高达2Mbit/s的数据传输速率。然后，轨道飞行器使用更大的天线和发射器，将远距离链路上的数据传回地球。

　　毅力号火星探测器X波段高增益天线是可操纵的，因此它可以将无线电波指向特定的方向。拥有可操纵天线的好处是，整个火星车不需要改变位置就可以与地球通话。就像你只需要转动脖子甚至不需要转动脖子就可以与身边的人交谈而不是转动整个身体一样，它的高增益硬件使它能够聚焦信号，在回地球的长链路上实现更高的数据传输速率。

　　马德里的无线电天线站在2021年2月18日支持了毅力号的着陆操作，在下降和着陆期间，马德里无线电天线站率先从火星中继网络接收了遥测信号

　　X波段低增益天线是接收信号的主要仪器，这个天线可以在每个方向上发送和接收信息，也就是说它是全向的，天线可以以低数据速率传输到地球上的深空网络天线。

　　NASA毅力号火星探测器的动力系统

　　火星2020搭载了放射性同位素动力系统。这个电力系统利用钚放射性衰变的热量作为燃料，产生可靠的电力能源，毅力号火星探测器的电源被称为MMRTG，也被称为多任务放射性同位素热电发生器。MMRTG将钚自然放射性衰变产生的热量转化为电能。这个电源系统为火星车的两个主电池充电，来自MMRTG的热量也可以用来保持毅力号的科学仪器和各项系统处于正确的工作温度。

　　美国能源部在美国宇航局的支持下，开发了许多代这样的空间核动力系统，可用于为各种空间探索任务提供电力和热量。目前放射性同位素动力系统被称为多任务放射性同位素热电发电机MMRTG，其设计具有在火星等有大气层的行星体上以及在太空真空中运行的灵活性。MMRTG在发射时产生大约110瓦的电力，这种电力增量可以满足各种潜在的任务需求。与以前的RPS一样，确保高度安全也是一个基本考虑因素。

　　MMRTG放电时约110瓦，每年耐久度会下降百分之几，不超过3%，非常耐用。至于其他两块电池，当需求暂时超过MMRTG的稳定电力输出水平时，两个锂离子充电电池可满足毅力号活动的峰值需求。

　　毅力号的MMRTG与好奇号MMRTG电力系统是一样的，几十年来，美国宇航局一直可靠地使用类似的电力系统，包括阿波罗登月任务、维京人火星任务，以及飞往外行星和冥王星的航天器，包括先锋号、旅行者号、尤利西斯号、伽利略号、卡西尼号和新地平线号任务。

　　我看到了小型核裂变反应堆民用的未来，大家一定会想MMRTG是否足够安全，MMRTG由几层坚固的保护材料制成，可在各种潜在的发射事故中容纳燃料，这些保护层已经通过冲击试验进行验证。热源钚以陶瓷形式制造，这有助于避免对健康造成重大危害，除非钚被分解成非常细的碎片或蒸发，或者被吸入或直接吃掉它。换句话说毅力号火星探测器即使发生事故，也就是即使MMRTG在地球上爆炸，周围的人也只会受到15-60毫雷姆的辐射，相比之下，人类平均每年从氡和宇宙射线等自然来源接收310毫雷姆的辐射。

　　MMRTG有什么优点呢？首先就是耐用，不受太阳能能源的限制，比如火星全球风暴，火星尘埃的积累会导致太阳能电池功率下降超过30%以上，另外MMRTG在较大的纬度和高度范围内具有更大的机动性，它使科学家能够最大限度地发挥火星车科学仪器的能力。