火星科学实验室和好奇号火星车
火星科学实验室(MSL)项目命名的主要目的是凸显其在火星表面部署了一整套移动式火面探测设备。火星科学实验室之所以这样命名，是为了强调其在火星表面部署一大套移动仪器的目标。这些仪器是由来自不同领域的科学家设计的，不仅为了收集有关火星表面的当前信息，还为了了解在其历史过程中是如何形成的。
MSL项目的核心是火星车，它足够大且足够坚固，可以携带整个仪器实验室和支持设备，并能在不同地形条件下行驶，同时收集关于火星的科学研究数据。
科学好奇号
获胜者：克拉拉·马
当克拉拉·马（Clara Ma）赢得NASA的命名比赛时，她是堪萨斯州莱内克萨市向日葵小学的一名12岁学生。当被问到为什么参加这个比赛时，她回答说：我对太空非常感兴趣。但我认为太空是我只能在书里读到、在夜里从遥远的距离观看的东西。我觉得我永远都无法接近它，所以对我来说，给火星漫游者起个名字至少能让我离它近一步。
当然，科学家们在性格上与其他任何人群一样多样化。但有一种共同的纽带将他们在科学活动中聚集在一起。那就是想要更多地了解自然地球、生物圈、太阳系以及宇宙。简而言之，就是了解事物是如何运作的。这种共同的纽带用一个词来形容，那就是好奇心（CURIOSITY）。而这正是克拉拉·马（Clara Ma）选择作为她提交给NASA的火星漫游者命名比赛的获胜文章的标题。
在漫游者进行测试时，克拉拉在上面签了自己的名字；该漫游者穿越太空前往火星，现在已经在那里的表面上工作了七年。克拉拉的文章中有一句话是：
我们因为不断提问和好奇而成为探险家和科学家。
MSL 科学团队思考的一些问题包括：既然生命在地球上如此普遍，为什么在火星上的生命迹象如此之少？有没有证据表明火星上曾经存在过生命？可能有吗？为了解决这些问题，好奇号漫游者装备了可以调查火星宜居性的仪器。通过检查火星的当前地质，可以推断出形成它们的过去环境的性质，以及那些环境的宜居性。好奇号的仪器将在第2章中讨论。
MSL 科学团队：这10个科学仪器中的每一个都是由首席研究员提出的。这些资深的行星科学家还指派了他们团队的成员，成为MSL科学团队的成员，这个团队由大约160名科学家组成，他们与他们的合作者一起负责决定好奇号活动的战术决策。
这些科学家总共约有400人，详细名单请参见附录。代表多个相关学科和许多学术机构的这些科学家的管理、表现和生产力情况在第11章中进行了讨论。
好奇号是迄今着陆在地球以外所有行星上最重的探测器，重约2 t（见图1）。曾经将人类送上月球的阿波罗登月舱的自重约为6 t。
图1展示了三种JPL设计的火星车的测试模型，以及两名JPL工程师。索杰纳号（左下角）
在1997年着陆，而勇气号和机遇号（位于索杰纳号之上）在2004年着陆。好奇号
（右侧）在2012年着陆（图片由NASA、JPLCaltech提供）
除了建造好奇号之外，MSL项目还包括研究如何安全地将如此重的载荷送到火星，使用软着陆方式降落在指定地点附近。从太空到火星表面的着陆实际上比在地球或月球上着陆更具挑战性。火星稀薄的大气既有助于耗散探测器的能量，又因强风而成为障碍。
MSL的其他部分包括在从地球到火星的传输轨迹中使用的通信、推进和支持系统。气动外壳（见图2）包含用于早期进入火星大气层的烧蚀护盾以及一个降低速度的降落伞。逆推火箭和雷达系统可以操控好奇号，在展开轮子后悬停在着陆点上方。最后，一个天空吊车轻轻地将好奇号降落着陆，准备开始行动。支持进入、下降和着陆的MSL组件在第3章中进行了讨论。将来某一天，按载荷重量缩放的类似组件，能把航天员、科研人员乃至（谁说不可能呢）太空游客安然送达火星表面。
图2MSL在组装测试中，好奇号位于热防护罩上方的气动外壳内
（图片由NASA、JPLCaltech提供）
火星之旅
在火星上旅行会是怎样的体验呢？它会与你在地球上所经历的任何事物都不同。首先，你会意识到你穿着的太空服，以保护你免受稀薄的火星大气的影响，还会意识到你背包里的设备，这些设备会提供你所呼吸的氧气。然而，尽管在地球上很重（它将重50 lb,1 lb=0.453 592 37 kg），但在火星上它只有这个重量的3/8。
火星本身的环境会让人感到不安。首先，天空是红色的（如果太阳照耀着），因为大气中普遍存在的细小尘埃。在地球上，大气中的水分会散射阳光，并使天空在没有云彩的情况下呈蓝色。在火星上，红色尘埃（铁氧化物）的微小颗粒会产生类似的效果。红光还会使你所看到的一切呈淡红色，因此，如果你的太空服是白色的，它会看起来是粉红色的。
本书中的许多图像来自导航摄像头，它们是灰度的，但也有许多来自科学摄像机的彩色照片。
其中一些图像保留着火星天然的红色色调，但另一些经过了颜色调整当矿物成分与地球相似时，会通过色偏处理使其看上去更加熟悉。如果见到画面中天空呈现蔚蓝色，便可断定此图像经过了色彩调整。
在火星上，时间不会飞逝，而是缓慢流逝！
你的时间计量器会与地球上的类似，但一天的持续时间会稍有不同。因为火星的自转速度比地球慢，其自转一周大约比地球慢40 min，所以在火星上，从日出到日出的时间会比一个地球日要长。为了避免混淆，我们不使用日来表示这一重要的时间间隔：在火星上，我们使用火星日（sol）这个词。为了制定计划，你可以将一个sol分成24小时，每小时分成60分钟，但你应该知道每个火星的时间间隔都会比相应的地球时间间隔稍长一些。当与地球上的人交谈时，尤其是当提到昨天、今天和明天时，你应该通过说yestersol、tosol和tomorrowsol来提醒自己这个差异。实际上，由于长时间的延迟（单程约为7 min），你可能会选择发短信而不是打电话：
你好？……（14 min后）……好！
当你四处看时，会看到一些熟悉的地貌特征，如沙子、岩石、丘陵、山谷，但完全没有任何植被。即使你站在一个山丘或山脊上，地平线很远，也没有一丝绿色或水的迹象！地球上很少有如此贫瘠的地方。
然而，当我们一起跟随好奇号的探索轨迹时，我们会看到许多古代时期强大的水流迹象，它们像在地球上一样侵蚀了地貌。这些古代水流对岩石的矿物组成产生了重要影响，因为水的存在会影响原子如何结合形成岩石的分子和晶体。
本书中，好奇号将作为向导，带您探索盖尔陨石坑底部，并一路攀登夏普山。在前进途中，它搭载的多台摄像机将实时为您呈现不断变化的火星景象，并展示其科学仪器的部署。
书中不仅介绍地面科研团队为好奇号制定的探测计划，还基于各领域科学家发表的研究成果，同步解读他们关于矿物成分与地质构造的数据分析。
通过本书，您将能借助众多科学家的卓越工作，随好奇号一起参与到这场激动人心，且仍在持续的探索之旅中……
火星科学实验室的背景
喷气推进实验室（JPL）隶属加州理工学院（Caltech），在NASA成立之初，随国防部相关研究项目一并划归NASA管辖。其早期历史集中在月球上（徘徊者号、勘测者号系列项目），但随着火箭技术的成熟，它开始管理更大、更雄心勃勃的项目：维京号着陆火星，旅行者1号和2号在离开太阳系之前飞越了几颗行星。水手计划飞越了火星。NASA和JPL任务探索了金星、水星、土星和木星。
1992年，NASA任命了新的管理者丹尼尔·戈尔丁。他引入了一个新的倡议，称为FBC，代表更快、更好、更便宜。他是在回应NASA项目预算超支和进度延误的一段时期提出的。在某些方面，这种新的管理方式取得了成功，但在其他方面却失败了。
在JPL的特殊案例中，NASA支持FBC政策后的早期成功案例是探路者计划，该计划于1996年12月4日成功将首个漫游车索杰纳号降落在火星阿瑞斯谷。由托尼·斯皮尔管理的探路者计划常常被视为对FBC政策的验证。由唐娜·谢莉管理的索杰纳号搭载了X射线衍射仪器，该仪器类似于好奇号携带的X射线衍射仪器。探路者号和索杰纳号的总重量足够轻，以实现气囊着陆。在安全着陆和展开后，对多个岩石和土壤样本进行了分析，发现了与地球岩石的相似之处和不同之处。电力由太阳能电池板提供，以补充电池的能量。唐娜·谢莉管理的索杰纳号运行了3个月，并在其六个轮子上总共行驶了100 m，这个配置后来成功用于勇气号、机遇号和好奇号。它还将用于火星2020任务。
索杰纳号作为一个FBC项目，其成功可以归因于有限而明智的目标，充分利用先前掌握的技术，同时也承担了集中开发的风险。不幸的是，接下来的两个JPL任务，分别是于1999年1月3日发射的火星极地着陆器和1998年12月11日发射的火星气候轨道飞行器，都没有成功。
JPL是不是试图做得过多了？还是更快、更便宜的原则妨碍了成功？在审查了FBC政策的成功和失败后，NASA和JPL改变了策略。
NASA要求科学院对美国国内和全球的行星科学家开展调查，了解他们在20032013年这个十年中认为最重要的目标是什么。这是朝着制定有产出、相互支持且负担得起的任务迈出的成功一步。这是第一个行星十年期调查，于1999年发布。第二个行星十年期调查于2013年发布，涵盖了20132022年的时期。
首个十年期探测被命名为《太阳系的新前沿：一项综合性探索策略》。研究期限选择为10年，以允许合理的时间来制定方案、开展工程设计、开发和测试太空飞行器，并获得运载火箭。
首次十年期探测
《太阳系的新前沿：一项综合性探索策略》
国家研究委员会 2003年.华盛顿特区：国家科学院出版社.
Springer，1999.
《太阳系的新前沿：一项综合性探索策略》的第3章标题为类似地球行星的演化。对火星的探索被赋予了很高的优先级：超过90%的回应将其列为研究期间的前五个重点之一。接下来的两个重点是月球（65%）和木卫二（62%）。讨论指出了火星与地球的相似之处，它是一个尺寸相似、拥有大气层并且显然曾经在表面拥有液态水的岩石行星。它曾经是否适合居住？如果是的话，是否曾经存在生命？它现在是否可能在表面之下存在生命？
NASA和JPL将采纳一个长期而雄心勃勃的目标，即在火星上寻找生命迹象。这一目标得到了索杰纳号和其他任务提供的证据的支持，这些证据表明早期的火星气候使得表面上存在液态水成为可能。新策略是通过一系列任务来追求这一雄心勃勃的目标，每个任务都有限定的从属目标，并通过冗余来限制风险。计划中包括两台轨道飞行器和两台漫游车。这些漫游车的质量与探路者号和索杰纳号的质量差不多，足够小而轻，可以进行气囊着陆。
在这一新策略中，增加的目标之一是支持未来的人类登陆火星任务。为了实现这一目标，其中一个轨道飞行器被命名为火星勘测轨道器，将配备高分辨率相机，以类似月球轨道器在阿波罗计划中所扮演的角色选择和认证着陆点。这些举措为新的机器人计划赢得了支持，火星表面寿命和机动性增加的前景也得到了支持。
随着新目标的确立，FBC时代的经验为JPL所采纳。JPL现在认为，它可以迎接在火星上寻找早期生命迹象的挑战。一个重要的次级任务将是动员科学界共同应对这一挑战。如何确定什么是生命的迹象，什么不是生命的迹象？这在第一个十年期间被认为是一个过于困难的任务。相反，目标将是首先尝试确定火星环境是否曾经适合居住。
新项目被命名为火星科学实验室（MSL）。尽管在任务中移动性是必不可少的，正如阿波罗计划中增加了一辆漫游车（供两名航天员使用）时所了解到的那样，它将是一个具有实验室功能的流动实验室，而不仅仅是一个带有仪器的载荷工具。
其他要求不仅支持科学任务，还支持有人任务，包括延长寿命和范围（相对于索杰纳号的3个月和100 m），以及提高着陆精度。有效载荷重量必须增加。
原有气囊缓冲方案无法满足要求（探测器也不能承受颠簸翻滚的着陆方式），因此需要一个新的入轨、下降和着陆计划。
在开发过程中，着陆点的选择可能受到两台轨道飞行器（2001年火星奥德赛和火星勘测轨道器）以及两台移动式着陆器（勇气号和机遇号）收集的信息的影响。这种灵活性需要额外的导航能力，特别是在纬度和其伴随的温度范围方面。
一个特别困难的挑战是开发一种新技术，用于采集岩石样本并分析它们的元素组成以及分子和矿物结构，以便确定岩石形成和改造过程中的环境条件。火星科学实验室的具体目标并不是在火星上探测生命（或过去的生命），而是试图回答以下问题：火星上是否曾经存在一个可以维持生命（就我们所知）的环境？那个环境可能存在多久？
随着火星科学实验室（MSL）的提案逐渐制定，发射窗口被确定为2009年。然而，随着对需求的深刻认识，仪器和热屏蔽的交付时间推迟以进行测试。由于测试失败而需要的工程更改导致了进一步的延误。关于这一时期问题的更详细讨论可以在Emily Lakdawalla的《好奇号的设计与工程》（Springer，2018）一书中找到。
由于这些问题和其他原因，发射窗口不得不推迟到2011年，这给NASA的预算造成了重大打击。这笔额外费用被归入到了无人计划的预算中，引发了一些不满情绪。这个大型项目的两年延误给JPL的管理层和工作人员带来了巨大的压力，他们在这个非常困难的任务中生存了下来。
幸运的是，火星科学实验室前奏中计划的四个JPL火星任务都取得了成功。2001年火星奥德赛于2001年4月7日发射，并于2001年10月24日进入轨道。火星勘测轨道器于2005年8月12日发射，并于2006年3月10日进入轨道。勇气号于2003年6月10日发射，并于2004年1月4日着陆，在陷入深沙之前运行了六年。机遇号于2003年7月7日发射，并于2004年1月25日着陆。当MSL好奇号着陆时，机遇号仍在运行，正在探索机会号陨石坑，创下了火星车在火星上运行的纪录，达到了5 250个地球日！与此同时，轨道器仍然充当着高速数据中继和好奇号的战术摄像机支持。
美国新泽西州米德尔顿
查尔斯·J.伯恩
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