空中吊车，毅力号火星车着陆火星黑科技今夜上演

　　2020年7月的火星探测窗口，人类派出了史无前例的火星探测阵容。目前，阿联酋的希望号、中国的天问一号和美国的毅力号分别于2月9日、10日和18日抵达火星。其中，希望号直接制动进入环绕火星轨道，天问一号首先制动环绕火星、在三个月对火星勘察期后着陆器和巡视器（火星车）组合体分离并着陆火星，而毅力号火星车会立即降落。因此，火星着陆的首个大戏由毅力号上演。
　　毅力号还将携带一个叫做机智号的直升机，人类首次在地外天体应用这项技术©️NASA
　　火星表面引力仅为地球的38%，稀薄大气仅为大气平均密度的不足1%，着陆器可以像在地球一样使用空气阻力和降落伞结合的方式减速，然而最后的速度依然会很大，必须通过主动的动力制动减速，最终降落到火星表面。根据着陆地区高度和地貌的不同，总的着陆过程时长仅为7-8分钟。
　　火星距离地球非常遥远，最近时也在5500万千米级别，最远可达4亿千米，这意味着从地球到火星的通信往返时间为6-45分钟，还要考虑二者同时在自转、太阳辐射、空间天气等因素的干扰，直接导致整个登陆过程不可能由地球上人工控制和监测完成，必须依靠着陆系统自主完成。因此，火星着陆过程又被描述为＂黑色七分钟＂，甚至＂死亡七分钟＂。
　　毅力号着陆的过程包括1000多个动作，这一切需要在7分钟左右精准完成©️NASA
　　在抵近火星后，火星车会最后一次与地球通信，确保各个系统正常工作。随后火星车与提供通信和动力模块脱离，期间姿态控制喷气发动机工作，严格控制着陆轨迹角度与方向。如果角度过大就会超过隔热层能忍受的极限，如果过小任务就会像打水漂一般滑入深空。在飞到火星上空100余千米、调整完角度后，被保护的火星车开始冲击进火星大气，＂死亡七分钟＂正式开始。毅力号和好奇号将会采用基本相同的着陆流程，本文以好奇号的实际经历为例说明着陆过程。
　　被严密保护中的毅力号冲进火星大气©️NASA
　　在45千米高度处，火星车隔热层热量达到巅峰，它的温度达到了惊人的2100摄氏度。在各种内部高科技保护和外部隔热层的巨大牺牲下，火星车所处的温度仅为10摄氏度左右。在这个过程中大气也实现了减速效果，速度降到450米/秒左右。在距离火星表面仅11千米时，由80根线连接、50米高、15米直径的巨大降落伞打开，这是人类在其他行星上用过的最大降落伞。通过降落伞又继续工作75秒后，整个火星车的速度终于降到了仅有90米/秒，这已经是隔热大底和降落伞拼尽全力工作的极限，但依然足以让火星车摔得粉身碎骨。包括好奇号和毅力号在内的各种火星车最终着陆前大概都是这个速度状态，依然还不够慢，需要进一步减速。
　　NASA三代火星车尺寸对比©️NASA
　　在最终减速降落阶段，不同火星车的技术路径会走向不同方向。按照规格和复杂程度，人类有过三类火星车：第一类以验证技术为主，体型仅为十余千克，例如苏联火星2/3号和美国探路者号携带的火星车，功能简单，采用定点着陆器携带和气囊弹跳方案减速降落；第二类以勇气号和机遇号为代表，体型超过200千克，携带相对复杂的仪器，采用气囊弹跳和火箭反推方案减速降落。我国的天问一号也是此类，总重约240千克，采用着陆器携带降落并在着陆后释放出来；第三类以好奇号和毅力号为代表，体型已经超过900千克，能力有限的定点着陆器携带和气囊弹跳已经无法完成使命，而必须采用人类行星着陆最高科技，空中吊车技术。
　　好奇号/毅力号降落过程中空中吊车技术最后一步（动图）©️NASA/JPL
　　这种方案将火星车着陆系统分成两部分，上部分是一个拥有8枚强力反冲火箭持续工作的空中吊车，在下降过程中它将火星车保护在中心。随后火星车被释放并被三根最长可达7.5米的尼龙绳悬挂着，另外有一根负责信号和控制指令传输的＂脐带＂电缆传输数据。随着减速过程高度逐渐降低，火星车的结构动力系统和动力系统逐渐展开，底部的传感器通过＂脐带＂向空中吊车报告实时状态。在空中吊车的悬停和精细操作下，火星车缓慢靠近地面，感应到稳定接触火星地表后尼龙绳和电缆将会在瞬间被切断。随后空中吊车会用尽所有的能量向尽量远地方飞去，最终坠毁。通过这种方式，巨大的火星车被释放到火星表面。
　　要知道，这几乎相当于把一辆家用小轿车从迪拜塔上扔下来后，中途启动空中吊车（好奇号的空中吊车启动时运动速度高达90米/秒、距离地表数百米），在短短几十秒内将相对速度减到几乎为0，悬停避障并稳稳释放火星车。而由于火星车上精密仪器的存在，对冲击力的容忍程度非常低，相当于家用轿车的报警系统也不能被触发，难度可想而知。
　　毅力号空中吊车技术会进行进一步升级（动图）©️NASA
　　而由于毅力号的预计着陆区域处在远古河流的三角洲区域内，地形地貌复杂，它的空中吊车还需要做进一步改进。需要它高度智能，自主规避风险区域，选择最优路径将火星车放到最理想的地点。如果说好奇号的空中吊车可以将它从迪拜塔安全＂扔到＂地面上，那么毅力号的空中吊车则可以将它精准＂扔到＂停车位里。
　　不过高科技都是有代价的，即便继续使用了好奇号的基准平台和成熟的空中吊车技术，但由于各种技术改进和更先进的仪器设备，毅力号并没有变得更便宜，目前的预算已经超过了27亿美元，已经超过了好奇号的25亿美元。由于同样使用放射性同位素热电机技术，它的寿命也极有可能像好奇号一样不断延期（从2012年工作至今）。
　　毅力号几乎毫无疑问会成为人类历史上最昂贵的一部车。它的重量大约为1025千克，但可以换回约50吨黄金。
　　（本文已授权改编并发布到果壳）
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