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石豪:比起天问一号失联半小时,毅力号“恐怖七分钟”有多恐怖?

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  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。

  

  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。

  

  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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