先于天问一号登岸火星，毅力号履历了什么 | 石豪
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导读
火星大气并不是科学家的好朋侪，由于和地球相比它着实是淡薄，但又绝不克不及纰漏不计。
【文/观看者网专栏作者 石豪】
北京时间2月19日4时55分，美国“毅力号”火星车乐成登岸火星，马上与同型的“奇怪号”火星车一路实行火星外貌巡察探测使命。
而在此前的2月10日，我们的“天问一号”火星探测器乐成实行近火捕捉制动，顺遂进入大椭圆火星轨道，完成了我国初次火星探测使命的“绕、着、巡”的第一步——“绕”。
与天问一号差别，毅力号火星车没有围绕火星飞行，而是直接一头扎进火星大气层，履历“恐惧七分钟”后在火星外貌着陆。毅力号的使命设计怎样特别，“恐惧七分钟”究竟有多恐惧？
“戴遮阳帽的飞碟”
毅力号是北京时间2020年7月30日由宇宙神-5运载火箭放射升空的。作为现在人类制造的最大火星车，毅力号的总重凌驾一吨，到达了1025千克，全部睁开的巨细乃至堪比小型SUV。
毅力号火星车测试 | 图片泉源：ESA
但搭载毅力号火星车的航天器却令人不测地“俭朴”，以至于放射总重只有不到4吨。
航天器放射入轨状态 | 图片泉源：NASA
和常见的深空探测器差别，毅力号（包罗同型的奇怪号）的放射构型只包罗一个圆片状的巡航级，和飞碟状的大气进入、降落、着陆器（EDLS），乍一看好像一个“戴遮阳帽的飞碟”。说巡航级是“遮阳帽”颇为贴切，由于巡航级的外侧敷设了太阳电池，在巡航阶段提供航天器一定的电能。
在“飞碟”内部，是处于收纳状态的毅力号火星车，以及用于动力降落和着陆的“空中起重机”。
毅力号火星车放射构型剖析 | 图片泉源：NASA，由笔者标注
如许看起来，整个航天器乃至有点大略。固然，说大略也不克不及算错，毅力号的巡航级只能提供有限的轨道修正本领，不消像天问一号那样实行大幅度变轨和“刹车”——由于在使命设计中，这个“戴遮阳帽的飞碟”是被火箭直接送入奔火轨道的，也不必要围绕火星飞行，而是直接进入火星大气。
这种登火方案对火箭有很高的要求，由于火箭不但要将整个航天器加快到普通地球卫星无法到达速率，更要包管入轨的精准度。假如轨道太“浅”，航天器会偏离预定着陆区，乃至从大气层中飞出，与火星擦肩而过；假如轨道太“深”，航天器大概没有充足的气动减速空间，会直接坠毁在火星外貌。
反过来说，只要火箭事情正常，毅力号的巡航级只必要举行一些轨道修正即可，巡航级也就不必选用大型轨道器，做成“遮阳帽”就充足了。
“恐惧七分钟”
毅力号和之前的奇怪号一样，在着陆火星的历程中要履历“恐惧七分钟”。
在进入火星大气之前，“遮阳帽”巡航级会被提前分散，只留下装着毅力号火星车的EDL“飞碟”，向预定着陆场飞去。
从进入火星大气，开始气动减速的那一刻起，毅力号使命中最告急的七分钟开始了。
毅力号大气进入、降落、着陆历程 | 图片泉源：NASA，由笔者标注
火星大气并不是科学家的好朋侪，由于和地球相比它着实是淡薄，但又绝不克不及纰漏不计。我们知道，一个物体在地球上做自由落体，因为氛围阻力会随着物体的速率加速而增大，终极会到达一个速率，使重力与物体所受氛围阻力均衡，这个速率叫“终端速率”。定性地说，在物体质量、形状和迎风面积稳定的情形下，终端速率与地点星球的重力加快度和星球大气密度之比决定，重力加快度越大，大气密度越小，终端速率越快。
对付地球和火星而言，火星的重力加快度是地球的0.38倍，而大气密度不敷地球的1%，两下一除，对统一个物体，在火星大气层中的终端速率照旧比地球快不少。
受控进入火星大气 | 图片泉源：NASA/JPL-Caltech
是以在受控进入火星大气的时间，一定在凌驾400米每秒的速率下伸开降落伞进一步减速，毅力号也为此配备了高性能的超音速降落伞。
超音速降落伞测试 | 图片泉源：NASA
当伞花绽放在锈色苍穹时，间隔进入大气层已颠末去了4分钟，毅力号的“飞碟”要在20秒内抛失底部的防热盾，让自身携带的降落雷达与相机事情，决定终极着陆点。
在进入火星大气后的350秒后，毅力号火星车连带“空中起重机”降落级一同与降落伞分散。此时降落速率已经稳健在每秒90米，火星车间隔地面2千米，但降落级一定马上举行一次横向机动，而非顿时点火减速，不然火星车会一头撞上方才分散的降落伞。
毅力号火星车与降落级“空中起重机”组合体 | 图片泉源：NASA
躲过了降落伞，“空中起重机”点火减速，带着毅力号火星车飞向终极着陆点。为了幸免火箭喷射气流溅起的泥土污染火星车，“空中起重机”将在着陆点上空20米用线缆将火星车吊放到火星外貌——这也是“空中起重机”之名的由来。
“空中起重机”吊纵火星车 | 图片泉源：NASA
当毅力号火星车乐成着陆后，吊放线缆一定顿时堵截，“空中起重机”加快飞离火星车上空，在远处坠毁。不然燃料耗尽的“起重机”会直接砸到火星车上。
至此，火星上的“恐惧七分钟”完结，地球上的“恐惧”还在陆续。因为毅力号降落时地火通讯耽误凌驾10分钟，本地球收到探测器进入火星大气的信号时，毅力号的“恐惧七分钟”已经完结，火星车要么安全落地，要么显现妨碍导致损毁，地球上的科学家对此无能为力，只能眼睁睁地看着。
恐惧源于未知。在奇怪号2012年8月登岸火星时，地球与火星的通讯耽误到达14分钟，是以也有科学家表现“恐惧七分钟”实在是从奇怪号着陆到地球收到它进入火星大气层信号的7分钟。
科学家们有来由感触担心，我们再看一遍毅力号的着陆历程：假如进入火星大气的姿态不精确，假如防热盾显现妨碍，假如降落伞没有精确睁开，假如防热盾没有分散，假如地形相对导航显现妨碍，假如“空中起重机”撞到降落伞，假如“空中起重机”点火妨碍、或姿态失稳，假如毅力号火星车切缆绳切早了、大概切晚了，假如“空中起重机”燃料提前耗尽，假如“空中起重机”没有飞离……
以上这些假如，只要有一个成真，那毅力号的了局便是坠毁。
危险再大，NASA照旧清除万难采纳了，而且取得了奇怪号和毅力号两次乐成。
古人栽树
至于为什么选择“空中起重机”这种危险极高的方案，那是由于美国上一代火星车（勇气号、机会号）只有不到200千克，依旧可以采纳气囊缓冲着陆的方法，而凌驾一吨的奇怪号与毅力号对付气囊而言着实是太重了。
选择着陆器开释火星车只管是直觉上的最优解，但着陆器的支持布局也很重，还不克不及在过于坎坷的火星外貌降落，要多带燃料悬停避障，这将进一步增大航天器的放射质量，导致宇宙神-5力有未逮，必要更强力、更昂贵的运载火箭。
使命超支，NASA家里也没有余粮。
毅力号火星车拍摄的火星外貌照片 | 图片泉源：NASA
是以，只管毅力号的使命设计冗余度很低，“恐惧七分钟”伤害重重，任何一个关键堕落都市让27.5亿美元的总投入汲水漂，NASA照旧大胆地采纳现行方案。
固然大胆，但NASA并不冒失，毅力号的设计是有充足先验数据支持的，NASA的底气正是源于美国几十年的火星探测履历。
普通来说，从地球放射探测器到火星要在地火间隔比力近的时间动身，放射窗口每26个月一次。以是看汗青上放射的火星探测器，都是列国在某一个窗口会合放射。
苏联在1960年、1962年和1964年窗口分别放射了多个火星探测器，但全部以失败了结，反而是美国后来居上，1964年11月放射的水手4号成为了人类汗青上第一个飞掠火星的探测器。
水手4号 | 图片泉源：NASA/JPL-Caltech
1971年5月，在阿波罗登月风起云涌之时，美国放射了水手9号，并再一次后来居上，以11天的薄弱上风击败苏联火星2号，成为人类汗青上第一个地外星体围绕器——也便是成了火星的第一颗人造卫星。
水手9号 | 图片泉源：NASA/JPL-Caltech
到了1975年，美国更是一口吻放射了海盗1号和海盗2号探测器，二者设计雷同，都是围绕器+着陆器的设置装备摆设，放射重量到达3.5吨。
海盗号火星探测器组合体 | 图片泉源：NASA
1976年两枚海盗号探测器分别乐成登岸火星，为暗斗中美国的火星探测画上了圆满的句号。
海盗号着陆器 | 图片泉源：NASA
暗斗完结后，NASA规复了火星探测使命，如今美国在火星有3个围绕器（人造火星卫星）、1个着陆器、2个巡察器处于事情状态，为科学家提供源源不停的数据。是以毅力号并不必要本身观察着陆点，美国的火星卫星已经为它代庖了。
古人栽树，后人纳凉。
美国现在对火星的探测，是天下领先的，这种领先职位地方的得到并不是“天主保佑”，而是几代美国科学家的才智结晶，更是自上世纪50年月以来源届美国当局对火星探测恒久高额投入的效果。
中国事进展中国度，在美国水手4号抵达火星的时间，我们的第一颗人造地球卫星东方红一号还在研制。
我们没有遇上暗斗中美苏两国的航庭院喷期间，当时候我们没有钱，也没有技能。
三十年河东三十年河西，我们已经茂盛起来，攻守之势正在寂静变化。
这正是我们鼎力大举进展航天技能的好机遇，想要追上航天超等大国的脚步，我们更必要驾驭住汗青机会，把航天进展的前期投入补足。
正如习近平同道2月22日访问探月工程嫦娥五号使命参研参试职员代表时夸大的，我们该当勇攀科技岑岭，办事国度进展大局，为人类宁静使用太空作出新的更大奉献。
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配景简介：本文作者石豪，科研事情者，航空航天观看者。本文2021年2月23日年颁发微信民众号 科工气力（先于天问一号登岸火星，毅力号履历了什么），风云之声获授权转载。
责任编辑：陈昕悦
