行星科学家有时会开玩笑说，我们对火星的了解比对月球的了解还要多。NASA在第三十五届美国国庆日（即第一艘航天飞机升空前的五年）首次将探测器降落在第四颗行星的表面。在过去的35年里，我们学到了很多：“维京1号”和“维京2号”分析了火星岩石，“精神号”和“机遇号”发现了古代水的证据，“凤凰号”看到了火星的雪。然而，最大的问题——火星是否能成为生命的家园——仍然悬而未决。
NASA最新的火星车“好奇号”本周将出发寻找答案。它是迄今为止最复杂的星际探测器，获得了《大众科学》2011年度最佳科技奖。如果一切按计划进行——从周六震撼人心的“宇宙神5号”发射，到火星车自主导航的大气层进入和空中吊车空投——它可能成为那种能引发比它回答的问题更多问题的、一代人仅有一次的探测器。
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火星科学实验室任务远不止于轮式、轿车大小、手臂强壮的“好奇号”火星车。其空中吊车和制导着陆系统本身就是一项重大成就，使得NASA能够以极高的精度着陆火星车。它拥有11种用于激光灼烧、烘烤和X射线分析岩石的工具，是迄今为止建造的最先进的机器人地质学家。它将寻找生命所需的化学成分——氧、氮、碳和/或氢——这是第一辆能够做到这一点的火星车。
“我们的化学分析能力将超过任何其他航天器。我们将逐个元素地了解那里有什么，我们还将看到化学同位素，”NASA喷气推进实验室（火星车在此建造）MSL副项目科学家Ashwin Vasavada说。“我们不仅会知道那里有什么元素，还会知道它们形成了什么矿物，这能告诉你确切的温度、周围有多少水，以及这些矿物形成时的环境条件。”
当MSL项目处于规划阶段，也就是“精神号”和“机遇号”开始运行不久之后，NASA工程师表示他们想要两样东西：着陆精度大大提高，以便更精确地瞄准要研究的岩石；以及一辆能够钻入这些岩石并采集其内部样本的火星车。制导着陆将使“好奇号”降落在12英里×15英里的椭圆区域内——与地球上的空投技术相比，这可能听起来不够精确，但请记住，这是在距离地球4500万英里之外的另一个行星上。（“精神号”和“机遇号”着陆在90英里的椭圆区域内。）
但这仅仅是开始。以下是MSL探索之旅背后一些关键新技术的概览。
制导下降和空中吊车空投
不出意外的话，周六从卡纳维拉尔角发射的“好奇号”将于明年8月抵达火星。当它接近这颗红色星球时，其形似鸡肉派的防热罩将脱离由肼驱动的巡航级，并将热盾朝向行星。背罩上的推进器将修正这个15英尺直径的笨重圆盘，并引导其下降，精确地瞄准盖尔撞击坑的一个平坦表面。
在五纳秒的时间里，“好奇号”的激光将一亿瓦的能量聚焦到一个针尖大小的岩石点上。当大气摩擦将其减速到足够慢时，一个165英尺长、51英尺直径的降落伞将展开——这是在另一个行星上使用的最大降落伞，设计用于承受2.2马赫的速度——然后热盾将被抛弃，使雷达系统开始跟踪地面距离。此时，“好奇号”的轮子朝下指向火星表面。而且没有安全气囊。
“它太大太重了，无法装配安全气囊，这里的工程师们意识到，如果你不使用安全气囊，另一种选择就是将其降落在一个平台上，”Vasavada说。“但是，当你建造这个非常坚固、带有自己的车轮和悬架的火星车时，它可以承受在火星上靠自己的车轮着陆的负载。事实证明，这是最好的着陆方式。”
“好奇号”轮子朝下急速下降，一旦火星车距离地面几百英尺，降落伞就会被抛弃。然后，空中吊车上的八个反推火箭点火，进一步减缓探测器的下降速度。三条缆绳和一个通信脐带展开，然后缓慢地将火星车放到地面上。一旦缆绳松弛，火星车就会切断它们，空中吊车就会飞走，坠毁在一个安全的地方。这一切都将以每秒5帧的高清视频捕捉。
顺便说一句，这一切都是自主进行的。地球和火星之间的光速延迟使得实时控制火星车变得不可能，所以如果出现意外的阵风或火星尘卷风，火星车将不得不自己处理。
Vasavada说，制导着陆将是地质学家的福音。
“这意味着我们可以更近地着陆，并且将着陆点紧贴在那些通常过于危险而无法着陆的特征旁边，而这些特征总是最有趣的地质事物。我们想要研究的火星上的大多数东西都不是平坦、无聊的东西，”他说。
一旦“好奇号”检查一切正常，它将拍摄周围环境的几张3D高清全景照片，并确定一些有趣的研究目标。当地球上的科学家有了目标后，ChemCam仪器将开始工作。
ChemCam：用于灼烧火星岩石的激光
MSL的科学任务将以任何一个良好实验室的严谨精确度展开。按照严谨的顺序，11件仪器将仔细观察火星岩石，在其上灼烧出小孔，钻入小孔，收集钻下的粉尘，进行筛选和过筛，然后烘烤和X射线分析，从而了解该岩石及其历史的一切信息。大部分工作从MSL的激光和相机——ChemCam——开始。
在近25英尺的距离上，激光灼烧岩石表面的物质，将其剥离并烧蚀风化表面，产生一个等离子体，可以使用该仪器的望远镜进行分析。该仪器的主管、位于洛斯阿拉莫斯国家实验室的Roger Wiens说，激光将仅在五纳秒内将一亿瓦的能量聚焦到针尖大小的区域。
“ChemCam将是火星车的主力，用于识别独特的样本，供其他仪器花费更多时间进行研究，”他说。“能够从近25英尺的距离伸出手触摸岩石，是一个真正的优势。”
一个ChemCam样本需要拍摄岩石的特写照片，然后是广角照片，最后发射多达75束激光。它每六分钟可以分析一个样本，仅消耗两瓦时的能量。
这种免持岩石识别的工作原理是分析汽化样本发出的光的频谱，找出原子元素的特征发射线。Wiens说，它覆盖的波长范围（240纳米至900纳米，对于那些关注这些细节的人来说）涵盖了整个元素周期表。激光设计可承受500万次脉冲——这意味着可以爆破大量的岩石，进行大量的元素探测。
由于ChemCam将帮助火星车实验室的其余部分找到目标，Wiens预计它将在火星车为期两年（地球年）的主要任务期间几乎每天都会被调用。幸运的是，对于ChemCam的科学团队来说，该仪器是与法国航天局合作的，因此国际合作伙伴将分担一半的负担。
在ChemCam进行免持分析后，MSL科学家可能会决定将火星车开到一块有趣的岩石旁，然后开始“弄脏”手。
烘烤火星鹅卵石，并在X射线前晃动泥土
MSL的许多“首次”包括其小型化X射线机，这是一项真正的工程壮举，已经催生了一系列新的地球衍生技术。CheMin仪器，即“化学与矿物学”，首次将一种标准的元素识别方法带到了另一个星球的表面。CheMin的主管、来自NASA艾姆斯研究中心的David Blake说，X射线衍射通过检查X射线穿过原子间间隙时的衍射图案来识别矿物。
“如果你开车经过一片规律种植的树林，你可以顺着树行看过去，偶尔可以看到一条笔直的通道。晶体中有各种各样的图案是这样的，光会穿过，这些就是发生衍射的图案，”他说。“所有结晶材料都有略微不同的衍射图案，因此衍射可以毫不含糊地告诉你，你正在看的是确切的材料。”
为了进行这种类型的测量，你需要将筛选过的岩石样本摊开，并理想情况下让它们翻动，使它们在X射线源前飞舞。但移动部件通常在航天器上是不可行的。为了解决这个问题，Blake和他的团队不得不设计一种压电装置来晃动沙粒。该设计部分受到了Blake和同事们几年前从Radio Shack购买的一堆小型蜂鸣器的启发。当CheMin运行时，它的频率大约与高音C音符相当——听起来会像一位女高音歌手。
Blake说，他已经研究小型化X射线衍射机二十多年了。他说，这是识别矿物的最佳方法，而识别矿物是了解岩石形成环境的最佳方法，也是判断是否存在任何可能对生命起源化合物或生命有用的成分的最佳方法。
MSL的其他仪器也都会寻找这一点。
与CheMin阵列并行，火星样品分析（SAM）仪器将加热钻取的样品并气化其成分，通过气相色谱仪和两种类型的光谱仪分析气体。当样品被加热时，不同的材料会挥发并以气体形式释放——比如水，作为开始。这些气体的含量可以被检测出来，以确定材料的成分。这将是MSL寻找生命迹象的关键方法之一。Vasavada说，任何此类证据的发现都将是颠覆性的，至少可以说，因此MSL配备了一个自测工具。这是一个陶瓷样本空白，其中包含一种工程有机化合物——不是生命，而是一种在地球上不会出现的含氟有机化合物。如果SAM的有机物分析出现任何争议，这个样本空白将有助于验证其分析的完整性。
如果这一切听起来有些重复，那是因为它确实是——而这正是要点的一部分，据Vasavada说。
“有几种不同的方法可以观察一块岩石，没有一种单一的技术是明确无误的，”他说。“当我们通过两三种方式确认一块岩石中含有某种矿物或元素时，我们就可以通过整合所有这些不同仪器得到的结果来拼凑出这个故事。”
MSL的主要目标是为期一火星年、两个地球年的主要调查任务，但如果“好奇号”的表现与其前辈一样好，这项任务可能会被延长，而且很可能会被延长。“精神号”和“机遇号”火星车的设计使用寿命为三个月，但却超出了保修期近八年（“机遇号”仍在服役）。工程师希望“好奇号”能在红色星球上行驶十年。
“这不是一个你着陆、获取尽可能多的信息，然后其余都是锦上添花的任务，”Vasavada说。“这是一个计划在几年内逐步展开的任务。”
因此，“好奇号”将有充足的时间来回答深刻的问题——也可能开启全新的深刻问题。
