半年前阿聯酋、中國和美國發射的三艘探測器, 經過4.6億公里的長途跋涉後, 都已經或即將到達火星, 火星將迎來最熱鬧的時期, 今年絕對會成為人類歷史上當之無愧的火星年。
然而, 巨大的成功往往建立在巨大的風險之上, 在登陸火星的過程中, 美國和中國的探測器都將面臨「恐怖7分鐘」, 九死一生的驚心動魄降落過程, 它們能夠倖存下來嗎?讓我們來看看毅力號究竟有哪些潛在的失敗點。
阿聯酋的希望號探測器已最先抵達並切入火星軌道, 這使其成為繼美國、蘇聯、歐盟、印度之後第五個發射飛船進入火星軌道的國家或地區。 不過阿聯酋沒有著陸任務, 探測器將在火星軌道運行, 研究火星天氣及低層大氣事件。
希望號拍攝的火星照片
中國的天問一號晚阿聯酋一天到達並切入火星軌道, 中國成為第六個發射探測器進入火星軌道的國家, 不過天問一號最先發回了火星的照片和錄影——還是自拍合影, 並將在環繞火星飛行數個月後, 釋放探測器登陸火星。 這是因為中國還是第一次抵達火星, 需要花更長時間探測火星環境, 做好登陸前的準備。
天問一號自拍的與火星合影
美國的毅力號最後發射, 所以也是這一波最後抵達火星軌道的。 由於前期美國已有多艘探測器抵達並登陸火星, 經驗豐富, 準備充足, 所以毅力號將在2月18日抵達火星後, 馬上開始歷時7分鐘從火星軌道到火星地表的恐怖著陸程式。
可怕的恐怖7分鐘
到目前為止, 全球所有各國發射到火星的探測器, 成功著陸火星表面的只有40%, 這意味著毅力號在火星大氣層的7分鐘之旅, 註定充滿恐怖、危險和巨大的不確定性。
美國宇宙局(NASA)為此進行了梳理, 列出了下降和著陸階段潛在的失敗點,
一言以蔽之,NASA要做的唯一一件事,就是在7分鐘內,將毅力號的速度從太空裡的每小時20000公里,近20倍音速,戰鬥機速度的十多倍,降低到和人類走路差不多的速度,然後輕鬆愉快地踏上火星地表。而這過程中,NASA還使用了兩項從未用過的新技術,這讓毅力號的降落和前輩機遇號、好奇號等比起來,增添了更多的不確定性。
由於目前火星距地球近2億公里,無線電信號需要近11分鐘才能到達火星,也就是我們所說的「延遲」太大,沒有任何可能進行人工即時干預,毅力號將不得不靠預先設置的程式自主降落,這意味著數百件事情中出現任何一個錯誤,都可能導致它在火星大氣層裡燃燒成無人欣賞的焰火,或撞擊火星地表成為一堆外星殘骸。
解析恐怖7分鐘降落主要分大氣阻力減速、超音速傘降和天空起重機降落三個階段。
大氣阻力減速
在進入火星大氣層階段,位於下降段的毅力號將首先與飛船主體分開,然後調整方向,讓隔熱罩面向前方,以正確的角度進入火星大氣層,這將使用後殼上的小型推進器來完成。進入大氣層後下降段將經歷1300攝氏度的高溫,這個階段的任何錯誤都將是致命的,沒有任何補救的機會,比如進入大氣層角度稍有偏差,毅力號就會像打水漂一樣被彈回太空成為太空垃圾,或者在火星大氣層裡燃燒成灰燼。
類似災難此前已經發生過一次,那就是1999年NASA的火星氣候軌道器,在進入火星軌道過程中本來不該進入火星大氣層的,結果輸入推力參數時使用了英制單位磅而不是公制單位牛頓,導致其軌道過低沖進了火星大氣層,讓可能並不存在的火星生命免費欣賞了一把遠道而來的昂貴地球焰火表演。
超音速傘降
在下降段進入火星大氣層約240秒後,離火星地表約11公里的高度時,超音速降落傘將被打開,將毅力號的速度從1512公里/小時,降低到320公里/小時,降落傘打開後的20秒,下降段還將丟棄隔熱罩,讓毅力號暴露出來。這時用到的是NASA的最新技術——范圍觸發,這項技術通過控制降落傘打開的精確時機,讓毅力號降落到具有最大科學價值的區域。
這一階段也是最容易出錯的階段,歐洲空間局2016年的斯基亞帕雷利EDM登陸器,就是在這個階段提前丟棄了降落傘和隔熱罩,導致其在3.7公里的高度就以為已快到火星地表,沒想到一腳踏空,開始自由落體,結果以300公里/小時的速度撞毀在火星表面。
與此同時,另一項新技術也將在這個階段發揮作用,那就是地形相對導航,通過快速地拍攝地面照片,與機載地圖進行比較,以避開危險區域實現安全著陸。
在到達離地面2100米的高度後,由於大氣稀薄,降落傘最終只能讓毅力號減速到320公里/小時,這時候降落傘將被拋棄,天空起重機的8個小型火箭點火,向地面反推進一步降低速度到2.7公里/小時——大約是人類行走速度的一半。
在著陸前的12秒,天空起重機在火星地表上空20米處,用三根6.4米長的纜繩將毅力號釋放出來,毅力號迅速舒展腿腳做好降落準備,一旦發現自己的輪子已經落地,毅力號就會迅速切斷纜繩,而天空起重機也會側滑飛開,並在安全距離外墜落。
這一階段出錯也有先例,那就是NASA的火星極地著陸者號,同樣是在1999年——這一年可能是NASA歷史上最黑暗的一年之一,可能是因為軟體錯誤,導致著陸器腿部展開時的振動被識別為已著陸的信號,從而在40米高度關閉了下降火箭引擎,探測器以22米/秒的速度硬著陸,墜毀在火星表面——比歐洲的斯基亞帕雷利EDM登陸器沒得稍好看一點。
火星著陸是一項極其複雜的系統工程,探測器、隔熱罩、降落傘、天空起重機,任何一個子系統出現微小的錯誤,都可能導致整個任務的完全失敗,而所有這些可能的錯誤,甚至在發射之前封裝好探測器那一刻就已經決定了。讓我們為NASA的毅力號和中國的天問一號祈禱祝福,把40%的幾率變成100%的成功,為人類走向太空邁出堅定的腳步。
一言以蔽之,NASA要做的唯一一件事,就是在7分鐘內,將毅力號的速度從太空裡的每小時20000公里,近20倍音速,戰鬥機速度的十多倍,降低到和人類走路差不多的速度,然後輕鬆愉快地踏上火星地表。而這過程中,NASA還使用了兩項從未用過的新技術,這讓毅力號的降落和前輩機遇號、好奇號等比起來,增添了更多的不確定性。
由於目前火星距地球近2億公里,無線電信號需要近11分鐘才能到達火星,也就是我們所說的「延遲」太大,沒有任何可能進行人工即時干預,毅力號將不得不靠預先設置的程式自主降落,這意味著數百件事情中出現任何一個錯誤,都可能導致它在火星大氣層裡燃燒成無人欣賞的焰火,或撞擊火星地表成為一堆外星殘骸。
解析恐怖7分鐘降落主要分大氣阻力減速、超音速傘降和天空起重機降落三個階段。
大氣阻力減速
在進入火星大氣層階段,位於下降段的毅力號將首先與飛船主體分開,然後調整方向,讓隔熱罩面向前方,以正確的角度進入火星大氣層,這將使用後殼上的小型推進器來完成。進入大氣層後下降段將經歷1300攝氏度的高溫,這個階段的任何錯誤都將是致命的,沒有任何補救的機會,比如進入大氣層角度稍有偏差,毅力號就會像打水漂一樣被彈回太空成為太空垃圾,或者在火星大氣層裡燃燒成灰燼。
類似災難此前已經發生過一次,那就是1999年NASA的火星氣候軌道器,在進入火星軌道過程中本來不該進入火星大氣層的,結果輸入推力參數時使用了英制單位磅而不是公制單位牛頓,導致其軌道過低沖進了火星大氣層,讓可能並不存在的火星生命免費欣賞了一把遠道而來的昂貴地球焰火表演。
超音速傘降
在下降段進入火星大氣層約240秒後,離火星地表約11公里的高度時,超音速降落傘將被打開,將毅力號的速度從1512公里/小時,降低到320公里/小時,降落傘打開後的20秒,下降段還將丟棄隔熱罩,讓毅力號暴露出來。這時用到的是NASA的最新技術——范圍觸發,這項技術通過控制降落傘打開的精確時機,讓毅力號降落到具有最大科學價值的區域。
這一階段也是最容易出錯的階段,歐洲空間局2016年的斯基亞帕雷利EDM登陸器,就是在這個階段提前丟棄了降落傘和隔熱罩,導致其在3.7公里的高度就以為已快到火星地表,沒想到一腳踏空,開始自由落體,結果以300公里/小時的速度撞毀在火星表面。
與此同時,另一項新技術也將在這個階段發揮作用,那就是地形相對導航,通過快速地拍攝地面照片,與機載地圖進行比較,以避開危險區域實現安全著陸。
在到達離地面2100米的高度後,由於大氣稀薄,降落傘最終只能讓毅力號減速到320公里/小時,這時候降落傘將被拋棄,天空起重機的8個小型火箭點火,向地面反推進一步降低速度到2.7公里/小時——大約是人類行走速度的一半。
在著陸前的12秒,天空起重機在火星地表上空20米處,用三根6.4米長的纜繩將毅力號釋放出來,毅力號迅速舒展腿腳做好降落準備,一旦發現自己的輪子已經落地,毅力號就會迅速切斷纜繩,而天空起重機也會側滑飛開,並在安全距離外墜落。
這一階段出錯也有先例,那就是NASA的火星極地著陸者號,同樣是在1999年——這一年可能是NASA歷史上最黑暗的一年之一,可能是因為軟體錯誤,導致著陸器腿部展開時的振動被識別為已著陸的信號,從而在40米高度關閉了下降火箭引擎,探測器以22米/秒的速度硬著陸,墜毀在火星表面——比歐洲的斯基亞帕雷利EDM登陸器沒得稍好看一點。
火星著陸是一項極其複雜的系統工程,探測器、隔熱罩、降落傘、天空起重機,任何一個子系統出現微小的錯誤,都可能導致整個任務的完全失敗,而所有這些可能的錯誤,甚至在發射之前封裝好探測器那一刻就已經決定了。讓我們為NASA的毅力號和中國的天問一號祈禱祝福,把40%的幾率變成100%的成功,為人類走向太空邁出堅定的腳步。