先于天问一号登陆火星，毅力号经历了什么石豪

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　　导读
　　火星大气并不是科学家的好朋友，因为和地球相比它实在是稀薄，但又绝不能忽略不计。
　　【文/观察者网专栏作者 石豪】
　　北京时间2月19日4时55分，美国＂毅力号＂火星车成功登陆火星，即将与同型的＂好奇号＂火星车一起执行火星表面巡视探测任务。
　　而在此前的2月10日，我们的＂天问一号＂火星探测器成功实施近火捕获制动，顺利进入大椭圆火星轨道，完成了我国首次火星探测任务的＂绕、着、巡＂的第一步——＂绕＂。
　　与天问一号不同，毅力号火星车没有环绕火星飞行，而是直接一头扎进火星大气层，经历＂恐怖七分钟＂后在火星表面着陆。毅力号的任务设计如何特殊，＂恐怖七分钟＂到底有多恐怖？
　　＂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运载火箭发射升空的。作为目前人类制造的最大火星车，毅力号的总重超过一吨，达到了1025千克，全部展开的大小甚至堪比小型SUV。
　　毅力号火星车测试 | 图片来源：ESA
　　但搭载毅力号火星车的航天器却令人意外地＂简朴＂，以至于发射总重只有不到4吨。
　　航天器发射入轨状态 | 图片来源：NASA
　　和常见的深空探测器不同，毅力号（包括同型的好奇号）的发射构型只包含一个圆片状的巡航级，和飞碟状的大气进入、下降、着陆器（EDLS），乍一看仿佛一个＂戴遮阳帽的飞碟＂。说巡航级是＂遮阳帽＂颇为贴切，因为巡航级的外侧敷设了太阳电池，在巡航阶段提供航天器必须的电能。
　　在＂飞碟＂内部，是处于收纳状态的毅力号火星车，以及用于动力下降和着陆的＂空中起重机＂。
　　毅力号火星车发射构型分解 | 图片来源：NASA，由笔者标注
　　这样看起来，整个航天器甚至有点简陋。当然，说简陋也不能算错，毅力号的巡航级只能提供有限的轨道修正能力，不用像天问一号那样执行大幅度变轨和＂刹车＂——因为在任务设计中，这个＂戴遮阳帽的飞碟＂是被火箭直接送入奔火轨道的，也不需要环绕火星飞行，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，因为火箭不仅要将整个航天器加速到一般地球卫星无法达到速度，更要保证入轨的精准度。如果轨道太＂浅＂，航天器会偏离预定着陆区，甚至从大气层中飞出，与火星擦肩而过；如果轨道太＂深＂，航天器可能没有足够的气动减速空间，会直接坠毁在火星表面。
　　反过来说，只要火箭工作正常，毅力号的巡航级只需要进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＂就足够了。
　　＂恐怖七分钟＂
　　毅力号和之前的好奇号一样，在着陆火星的过程中要经历＂恐怖七分钟＂。
　　在进入火星大气之前，＂遮阳帽＂巡航级会被提前分离，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，毅力号任务中最紧张的七分钟开始了。
　　毅力号大气进入、下降、着陆过程 | 图片来源：NASA，由笔者标注
　　火星大气并不是科学家的好朋友，因为和地球相比它实在是稀薄，但又绝不能忽略不计。我们知道，一个物体在地球上做自由落体，由于空气阻力会随着物体的速度加快而增大，最终会达到一个速度，使重力与物体所受空气阻力平衡，这个速度叫＂终端速度＂。定性地说，在物体质量、形状和迎风面积不变的情况下，终端速度与所在星球的重力加速度和星球大气密度之比决定，重力加速度越大，大气密度越小，终端速度越快。
　　对于地球和火星而言，火星的重力加速度是地球的0.38倍，而大气密度不足地球的1%，两下一除，对同一个物体，在火星大气层中的终端速度还是比地球快不少。
　　受控进入火星大气 | 图片来源：NASA/JPL-Caltech
　　因此在受控进入火星大气的时候，必须在超过400米每秒的速度下张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 | 图片来源：NASA
　　当伞花绽放在锈色苍穹时，距离进入大气层已经过去了4分钟，毅力号的＂飞碟＂要在20秒内抛掉底部的防热盾，让自身携带的下降雷达与相机工作，决定最终着陆点。
　　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＂下降级一同与降落伞分离。此时下降速度已经稳定在每秒90米，火星车距离地面2千米，但下降级必须立即进行一次横向机动，而非马上点火减速，否则火星车会一头撞上刚刚分离的降落伞。
　　毅力号火星车与下降级＂空中起重机＂组合体 | 图片来源：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最终着陆点。为了避免火箭喷射气流溅起的土壤污染火星车，＂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表面——这也是＂空中起重机＂之名的由来。
　　＂空中起重机＂吊放火星车 | 图片来源：NASA
　　当毅力号火星车成功着陆后，吊放线缆必须马上切断，＂空中起重机＂加速飞离火星车上空，在远处坠毁。否则燃料耗尽的＂起重机＂会直接砸到火星车上。
　　至此，火星上的＂恐怖七分钟＂结束，地球上的＂恐怖＂还在继续。由于毅力号降落时地火通信延迟超过10分钟，当地球收到探测器进入火星大气的信号时，毅力号的＂恐怖七分钟＂已经结束，火星车要么平安落地，要么出现故障导致损毁，地球上的科学家对此无能为力，只能眼睁睁地看着。
　　恐怖源于未知。在好奇号2012年8月登陆火星时，地球与火星的通信延迟达到14分钟，因此也有科学家表示＂恐怖七分钟＂其实是从好奇号着陆到地球收到它进入火星大气层信号的7分钟。
　　科学家们有理由感到担忧，我们再看一遍毅力号的着陆过程：如果进入火星大气的姿态不正确，如果防热盾出现故障，如果降落伞没有正确展开，如果防热盾没有分离，如果地形相对导航出现故障，如果＂空中起重机＂撞到降落伞，如果＂空中起重机＂点火故障、或姿态失稳，如果毅力号火星车切缆绳切早了、或者切晚了，如果＂空中起重机＂燃料提前耗尽，如果＂空中起重机＂没有飞离……
　　以上这些如果，只要有一个成真，那毅力号的结局就是坠毁。
　　风险再大，NASA还是排除万难采用了，并且取得了好奇号和毅力号两次成功。
　　前人栽树
　　至于为什么选择＂空中起重机＂这种风险极高的方案，那是因为美国上一代火星车（勇气号、机遇号）只有不到200千克，依然可以采用气囊缓冲着陆的方式，而超过一吨的好奇号与毅力号对于气囊而言实在是太重了。
　　选择着陆器释放火星车尽管是直觉上的最优解，但着陆器的支撑结构也很重，还不能在过于崎岖的火星表面降落，要多带燃料悬停避障，这将进一步增大航天器的发射质量，导致宇宙神-5力不从心，需要更强力、更昂贵的运载火箭。
　　任务超支，NASA家里也没有余粮。
　　毅力号火星车拍摄的火星表面照片 | 图片来源：NASA
　　因此，尽管毅力号的任务设计冗余度很低，＂恐怖七分钟＂危险重重，任何一个环节出错都会让27.5亿美元的总投入打水漂，NASA还是大胆地采用现行方案。
　　虽然大胆，但NASA并不莽撞，毅力号的设计是有足够先验数据支持的，NASA的底气正是源于美国几十年的火星探测经验。
　　一般来说，从地球发射探测器到火星要在地火距离比较近的时候出发，发射窗口每26个月一次。所以看历史上发射的火星探测器，都是各国在某一个窗口集中发射。
　　苏联在1960年、1962年和1964年窗口分别发射了多个火星探测器，但全部以失败告终，反而是美国后发先至，1964年11月发射的水手4号成为了人类历史上第一个飞掠火星的探测器。
　　水手4号 | 图片来源：NASA/JPL-Caltech
　　1971年5月，在阿波罗登月如火如荼之时，美国发射了水手9号，并再一次后发先至，以11天的微弱优势击败苏联火星2号，成为人类历史上第一个地外星体环绕器——也就是成了火星的第一颗人造卫星。
　　水手9号 | 图片来源：NASA/JPL-Caltech
　　到了1975年，美国更是一口气发射了海盗1号和海盗2号探测器，二者设计相同，都是环绕器+着陆器的配置，发射重量达到3.5吨。
　　海盗号火星探测器组合体 | 图片来源：NASA
　　1976年两枚海盗号探测器分别成功登陆火星，为冷战中美国的火星探测画上了圆满的句号。
　　海盗号着陆器 | 图片来源：NASA
　　冷战结束后，NASA恢复了火星探测任务，现在美国在火星有3个环绕器（人造火星卫星）、1个着陆器、2个巡视器处于工作状态，为科学家提供源源不断的数据。因此毅力号并不需要自己考察着陆点，美国的火星卫星已经为它代劳了。
　　前人栽树，后人乘凉。
　　美国目前对火星的探测，是世界领先的，这种领先地位的获得并不是＂上帝保佑＂，而是几代美国科学家的智慧结晶，更是自上世纪50年代以来历届美国政府对火星探测长期高额投入的结果。
　　中国是发展中国家，在美国水手4号抵达火星的时候，我们的第一颗人造地球卫星东方红一号还在研制。
　　我们没有赶上冷战中美苏两国的航天井喷时代，那时候我们没有钱，也没有技术。
　　三十年河东三十年河西，我们已经富强起来，攻守之势正在悄悄转变。
　　这正是我们大力发展航天技术的好时机，想要追上航天超级大国的脚步，我们更需要把握住历史机遇，把航天发展的前期投入补足。
　　正如习近平同志2月22日会见探月工程嫦娥五号任务参研参试人员代表时强调的，我们应当勇攀科技高峰，服务国家发展大局，为人类和平利用太空作出新的更大贡献。
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　　背景简介：  本文作者   石豪，科研工作者，航空航天观察者。本文2021年2月23日年发表微信公众号   科工力量  （先于天问一号登陆火星，毅力号经历了什么），风云之声获授权转载。