引言 足不出户看宇宙
2010年2月11日，在佛罗里达州肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center，KSC），我和几位科学家站在一起，注视着火箭从发射台呼啸升空。安放在火箭里的无人航天器，正是身边这几位倾毕生之力研发的成果。
几个月来，我一直盼望这次机会，只是之前没有料到，原来亲临火箭发射现场，近距离体验发射过程的激动根本无法言说。这种感受，人人都值得亲历。
半年前，我打算去肯尼迪航天中心现场观看STS-130发射任务。那一次，火箭将要搭载“奋进号”（Endeavour）航天飞机，将6名宇航员送到国际空间站，执行两个新部件的安装任务。2004年，美国国家航空航天局（NASA）宣布将在2011年结束航天飞机计划，这意味着伟大而传奇的“奋进号”快要退役了。从那时起，我就希望能到发射现场一睹它最后的风采。毕竟，我是专门报道太空探索和天文学新闻的记者，还有什么事件比一个太空时代的终结更具新闻价值呢？
我仔细查阅了发射时间表，发现如果多逗留一段时间，我便可以多观看几次发射。再说，我那时住在伊利诺伊州，正值数九隆冬，若能到四季如春的佛罗里达州过上几个星期，岂不美哉。
2010年的太空海岸（Space Coast）之旅让我夙愿得偿。我不仅目睹了两架航天飞机和两台无人航天器的发射，参观了美国国家航空航天局的设施（包括一些平时不对外开放的场所），还见到并且采访了几十名宇航员、科学家、工程师和局里的官员。最令人激动的是，我直接站在具有历史意义的39A发射台上，巨大的“发现号”（Discovery）航天飞机就在我的正上方蓄势待发，即将开启它的倒数第二次太空之旅。
载人航天的故事自然波澜壮阔，而且在我的报道中一直占很大比重，但在我看来，无人航天器总有某种魅力，摄人心魄。作为宇宙中人类的使者，这些机器人能够到达人类尚无法触及的太空深处。我是听着“水手号”（Mariner）、“海盗号”（Viking）和“旅行者号”（Voyager）的故事长大的。故事里说，这些机器人航天器勇敢踏上史无前例的深空航程，获得划时代的发现，改变人类对太阳系的看法，将过去只存在于梦境和画家笔下的群星世界呈现在我们眼前。
我们已经向地球附近的行星、矮行星、小行星、彗星和卫星发射了多个无人航天器，它们每天发回的太空图像如此逼真，如此震撼。无论多么艰辛，它们作为人类科学探索的代表，飞越、环绕、登陆、撞击和环视千奇百怪的太阳系天体。此外，我们还将超级望远镜送入太空。它们越过云雾重重的地球大气层，在外太空清晰地观察和拍摄遥远的恒星和星系，甚至是与太阳系截然不同的恒星系统，向我们展示令人叹为观止的宇宙图景。
人类渴望揭开宇宙的未解之谜，为此设计和制造了航天器。它们有着金属和电路板构成的身躯，是人类智慧的结晶。人类依靠聪明才智，精确计算轨迹，绘制星历表（确定某个给定时间点天体与航天器的位置），让无人航天器跨越星际之遥，造访群星。善于探究的人类大脑分析数据，得出结论，获得新发现。不论是火箭科学家，还是我们普通人，都会对宏伟的太空景象心生敬畏，为遥远太空里的神秘发现赞叹不已。这些无人航天器让我们足不出户就能探索宇宙。
但把它们送上太空并非易事。
首先，天文学家和行星科学家在自己的科研领域呕心沥血数年，其间受某个未解之谜的启发，萌生新的想法，比如研制一台仪器或者一个配备多种仪器的航天器，好去研究这个未解之谜。然后，他们与日后可能共事的研究员合作拟定初步的任务概念和计划图表。
接下来，他们要等美国国家航空航天局、欧洲空间局（ESA）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）、印度空间研究组织（ISRO）之类的太空机构发出机会通告（Announcement of Opportunity，AO），征集太空任务计划书。不过，太空机构往往只关注一些特定类型的任务。因此，如果他们的构想与太空机构的预期不符，他们就要继续等待，直到合适的机会出现。
终于，机会出现了。他们开始组建团队，起草任务计划书。一般来说，为了让任务能够挺过多轮专家评审，他们会提交几份计划书。最终，只有少数幸运者赢得太空机构的资助。若是有幸过审，他们不免要欣喜若狂一阵子，但狂喜过后，他们必须着手筹划仪器和航天器的建造，这中间还要反复修改和调整方案。同时，他们还要搞定运载工具，也就是火箭。对了，国会或议会说不定什么时候会削减太空机构的预算，已经获批的任务也难保不会被搁置，甚至取消。
上述过程动辄耗费几年甚至几十年的时间，而在此期间，没人敢保证火箭、仪器和航天器将来一定会如人所愿，完美运转，不辱使命。
虽然道阻且长，但在2010年2月11日，多年费心筹措终臻大成。太阳动力学观测台成功发射，奏响了任务的开篇乐章。洋溢在几位科学家脸上的喜悦激动之情，成了我此生难忘的珍贵回忆。
我为今日宇宙网撰稿多年，有幸“跟随”无人航天器了解太空——跟踪它们的一举一动，分析它们的新奇见闻，结识它们背后的优秀航天人。我还有幸给公众讲述这些伟大任务的执行过程，挖掘科学家和工程师等幕后功臣的传奇故事——构思设计，研发建造，分析数据，运维照料，凡此种种，不可悉数。
这些幕后故事引人入胜，情节跌宕起伏，几度峰回路转。正如许多太空科学家所说，不必预设成果，学会期待惊喜。
本书讲述21世纪初的几个无人太空任务。这些任务有的持续几年，有的长达几十年，有的不过运行几个月便完成使命。有如新旧更替的英雄传奇，无人太空任务的故事也是此篇说罢，又叙新篇。
本书之外，还有许多奇妙的无人太空任务正在执行中，我希望你们多去了解。在本书最后一章，我会介绍一些未来的新任务。
如今，不单单是记者，其实每个人都可以“跟随”无人航天器探索宇宙。普通大众可以通过社交媒体参与其中，向美国国家航空航天局和其他太空机构提问题，观看影像，了解新的发现（有些发现会实时共享）。
此外，随着公民科学计划的实施，普通人可以突破“跟随者”的角色，为科学进步做出实质性的贡献——发现隐藏的星系、新的超新星、新的恒星系统、原先看不到的月球陨坑或火星陨坑等等。有什么比这样的新发现更激动人心呢？很多天体的发现者都是普通人，今后会有更多。
跟我来，让我们一起探索太空……
南希·阿特金森
于明尼苏达州伯南维尔镇区
2016年
以往的火星任务
数百年来，在夜空中闪烁着红光的火星深深吸引着太空观察者。作为离地球最近的行星，火星为人类未来的太空任务和外星殖民提供了可能，因此也一直是太空探索时代人们的主要兴趣所在。迄今为止，人类已经执行了40多个无人火星探测任务……或者更确切地说，已经尝试过40多个任务。
把美国、欧洲、苏联（俄罗斯）和日本执行的任务都算在内，超过半数的火星任务均以失败告终。有的是发射时出师不利，有的在航行中途出现故障，有的没能进入轨道，还有的经历了惨烈的着陆。虽然最近几次任务的成功率已经远高于早期的原地探索任务，但是当空间科学家和工程师每每埋怨“噬星老妖”或者“火星诅咒”搞砸了任务时，他们并不完全是调侃。
不过，我们也取得了非凡的成绩。在20世纪60年代和70年代，“水手号”轨道飞行器和“海盗号”探测器等早期任务向我们展示了一个异常美丽但贫瘠荒芜的岩石世界，人类希望找到小绿人做行星邻居的幻想从此破灭了。然而，后来的任务给人类带来了新希望。壮阔的荒凉里暗藏着过去——抑或是现在——水和全球活动的迹象，令人神往。
“海盗号”探测器的艺术概念图。
图片来源：美国国家航空航天局、喷气推进实验室
现在的火星表面看起来又冷又干，大气稀薄得好像你在地球上呼出的一口气，无法抵御太阳辐射的轰击。但有迹象表明，火星并非一直如此。从轨道上可以看到沟槽和错综复杂的峡谷系统，这些地形特征似乎是流水冲刷而成的。
几十年来，行星科学家争论不休。这些地形特征是在灾难性事件（比如小行星撞击或者突然的气候灾变）引起的短暂湿润期形成的？还是在几百万年的岁月里，随着火星慢慢变得温暖湿润形成的？到目前为止，许多证据都是模棱两可的，两种情况皆有可能。但如果几十亿年前，火星跟地球一样拥有河流和海洋，那么或许生命在那时便已扎根。
“好奇号”火星车
长久以来，人类梦想着踏足火星，但至今尚无法实现。要登上火星，我们需要更强大、更先进的火箭和航天器，还需要更尖端的生命支持和作物种植技术。如果要在火星上建立人类居住地，我们必须将巨大的有效载荷运往火星，而时至今日，我们依然没有这个能力。
我们一边努力钻研上述问题，一边向这颗红色行星派出一个堪比地质学家的无人探测器——“好奇号”火星车。它跟小汽车一般大小，上面配备了17部相机、一台冲击钻、一个铲斗、一台机械臂末端透镜成像仪和一台激光器。这些设备相当于地质学家在地球上研究岩石和矿物会用到的工具。此外，它还能模仿人的活动，比如登山、进食（比喻意义上） 、动动胳膊（机械臂）和自拍。
这位在火星上漫步的“机器人地质学家”还是一个移动的化学实验室。10部车载仪器可以搜寻作为原始生命物质的有机碳，“闻一闻”火星的空气，“看一看”是否存在甲烷之类的气体——生命存在的迹象。“好奇号”的机械臂好似一把瑞士军刀，所需工具应有尽有：一个类似照相机的放大镜，一台用来测量化学元素的光谱仪，还有一台给岩石钻孔的冲击钻，为火星样品分析装置和化学与矿物学设备提供样品。化学相机（ChemCam）的激光能够在7米外把岩石汽化，然后根据其光谱确定矿物成分。此外，火星车上还有一个气象站和一台辐射监测设备。
“好奇号”的国际科学团队由大约500人组成，设备齐全的“好奇号”成为他们探索火星的手和眼睛。
“好奇号”火星车上的各种成像设备和科学仪器。
图片来源：美国国家航空航天局、加州理工学院－喷气推进实验室
以往的火星车使用太阳能电池阵列（solar arrays）收集太阳能发电，而“好奇号”与“新视野号”一样，使用放射性同位素温差发电机，反复为可充电的锂电池供电。同时，产生的热量被导入火星车的底盘，用于内部电子元件的保温。
由于体积和质量较大，“好奇号”不可能像过去那样，使用安全气囊着陆。美国国家航空航天局工程师罗伯·曼宁（Rob Manning）解释说：“你没法让那么大的东西弹起来。”空中吊车是一个大胆的解决方案。
“好奇号”的使命：揭示火星几十亿年的演化过程，确定火星是否曾经，甚至现在依然支持微生物存在。
“好奇号”的探索目标：一座高5.5千米的火星山，它被科学家称为夏普山（Mount Sharp），原名伊奥利亚山（Aeolis Mons），坐落在直径155千米的盖尔坑（Gale Crater）中央。
现场参与“好奇号”着陆的人员包括美国国家航空航天局太阳系探索（Solar System Exploration）项目执行官戴夫·莱弗里（Dave Lavery，右二）和负责科学任务指挥部（Science Mission Directorate）的副局长约翰·格伦斯菲尔德（John Grunsfeld，右四）。
图片来源：美国国家航空航天局、比尔·英戈尔斯
盖尔坑从60个候选着陆点中脱颖而出。火星轨道飞行器的数据表明，夏普山含有几十个沉积岩层，可能经过了几百万年才形成。这些岩层可以解释火星的地质变迁和气候演化。此外，夏普山和盖尔坑似乎都有看似由流水冲刷而成的沟槽和其他特征。
计划：火星科学实验室将在盖尔坑内一片平坦的低地上着陆，然后小心地攀登夏普山，研究山体的每个岩层，这相当于纵观火星的各个地质年代。
最大的挑战在于“好奇号”能否降落到那里，机会只有一次。
如何驾驶火星车
在火星上，“好奇号”怎么知道要去哪里？怎么去？你或许以为，喷气推进实验室的工程师像摇动游戏杆一样操控火星车。但与遥控驾驶和电子游戏不同，火星车司机没有即时的视觉输入和屏幕，看不到火星车的实时位置。此外，跟着陆时的情况一样，从地球发出指令，到火星车接到指令，两者之间总有一段时间延迟。
“由于通信延迟，我们无法做到实时交互式的操控。”操控团队负责人约翰·迈克尔·莫鲁基恩（John Michael Morookian）解释说。
准确地说，莫鲁基恩和这个团队的成员都是火星车路线规划师。他们与其说是操控火星车，还不如说是提前为它规划路线，编写专门的软件，然后上传指令。
“我们会参考‘好奇号’拍摄的周边图像。”莫鲁基恩说，“4部黑白导航相机提供一套立体图像，还有避障相机的照片和全景摄像机的高分辨率彩色照片，这些都能详细展示前方的地形特征，以及工作现场的岩石和矿物种类，帮助我们识别科学家可能感兴趣的构造。”
利用所有可得数据以及名为漫游序列和可视化程序（Rover Sequencing and Visualization Program，RSVP）的专门软件，操控团队可以创建一张三维的可视化地形图。
“这本质上是一个火星环境模拟器。我们把虚拟的‘好奇号’放进全景场景中，然后模拟它沿设计路线行驶的过程。”莫鲁基恩解释说，“我们还可以戴上立体眼镜，看到三维场景，这让我们感觉好像在火星上同‘好奇号’一起行进。”
在虚拟现实中，操控团队可以通过操纵场景和火星车来测试所有可能的路线，从而寻找最佳路线，同时确定需要避开的区域。他们可以让虚拟火星车犯各式各样的错误，比如陷进沙丘、翻车、撞上大石头、掉下悬崖等等，还可以不断完善驾驶指令序列，而真正的“好奇号”在火星上安然无恙。
“科学家会研究图像，寻找有趣的地形特征，然后请我们制定一条行进路线。路线确定后，我们再编写详细的指令，让‘好奇号’从A点移动到B点。”莫鲁基恩说，“在此基础上，我们可以添加指令，指挥机械臂接触目标。”
“好奇号”火星车在“天穹”（Big Sky）的自拍照，由火星机械臂末端透镜成像仪拍摄于2015 年10 月6 日（第1 126 个火星日），当时“好奇号”的冲击钻正钻入砂岩（左下角）。
图片来源：美国国家航空航天局、加州理工学院－喷气推进实验室、马林空间科学系统公司
根据指令，“好奇号”每晚停车8小时，以便核发电机为电池充电。但停车前，“好奇号”会将地形图像和科学信息等数据传回地球。在地球端，路线规划团队接收数据，规划路线，编写程序，然后将相关数据传回火星。“好奇号”第二天醒来后，先下载指令，然后恢复工作。这个过程周而复始，不断重复。
“好奇号”还有自动导航功能，可以穿越操控团队在图像里尚未看到的地方。借助自动导航，“好奇号”能够感知潜在的危险，从而有能力翻山越岭，到未知的领域去探索。
“我们不常使用自动导航功能，因为计算量太大，火星车行进起来太耗时。”莫鲁基恩说，“我们发现，与其使用自动导航，还不如等我们第二天上班看到图像，研究明白，然后让它沿着设计好的路线能走多远走多远。”
莫鲁基恩带我参观了路线规划团队的工作间，向我解释他们怎样按照多个时间表规划“好奇号”的路线。
“我们不仅要做每日路线规划，”他说，“还要做长期战略规划，后者要用到火星勘测轨道飞行器高分辨率成像科学实验设备（HiRISE）的图像。我们基于这些图像里的地形特征，选择合适的路线。这项工作具有战略性，需要考虑未来几个月的最佳路线。”
路线规划团队还要做短程规划（supratactical）。短程规划只考虑下一个星期，目的是管理和完善“好奇号”近期活动的类型。此外，由于团队里已经没有人再按火星时间作息，所以规划人员会在每周五确定未来几天的计划。
“我们周末休息，所以要在星期五规划好后面几个火星日的活动。”莫鲁基恩说，“我们分成两组，一组负责确定行驶时间，另一组确定机械臂和其他仪器的工作时间。”
不过，“好奇号”在周末传回的数据还是会有人监控。如果有问题的话，他们会请周末应急小组做更详细的评估。莫鲁基恩说，有几次他们不得不启用周末应急小组，但到目前为止，还没有出过严重的问题。“但这确实让我们保持警觉。”他说。
“好奇号”具有多种响应式安全检查手段，比如监测火星车甲板的整体倾斜度和车轮悬挂系统的循迹性。如果车轮压到体积太大的物体，“好奇号”会自动停车。
“ 好奇号”的导航相机每天把黑白图像发回地球， 路线规划团队将这些图像与“好奇号”传回的其他数据结合起来，生成三维地形模型，然后在里面添加一个虚拟的三维火星车。这样，路线规划团队便能更好地了解火星车的位置以及图像中各种地形的规模和间距。
图片来源：美国国家航空航天局、加州理工学院－喷气推进实验室
“好奇号”不追求速度。它的设计行驶能力是每天200米，但它很少在一个火星日里走那么远。
到2016年年中，“好奇号”已经在火星表面行驶了大约13.2千米。
“好奇号”火星车的车辙可以帮助路线规划团队计算行驶距离，从而更准确地操控“好奇号”。图片中车轮孔洞留下的痕迹是JPL 三个字母的莫尔斯电码。
图片来源：美国国家航空航天局、加州理工学院－喷气推进实验室
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