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石豪:比起天問一號失聯(lián)半小時,毅力號“恐怖七分鐘”有多恐怖?
最后更新: 2021-02-23 10:05:20【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 石豪】
北京時間2月19日4時55分,美國“毅力號”火星車成功登陸火星,即將與同型的“好奇號”火星車一起執(zhí)行火星表面巡視探測任務。
而在此前的2月10日,我們的“天問一號”火星探測器成功實施近火捕獲制動,順利進入大橢圓火星軌道,完成了我國首次火星探測任務的“繞、著、巡”的第一步——“繞”。
與天問一號不同,毅力號火星車沒有環(huán)繞火星飛行,而是直接一頭扎進火星大氣層,經(jīng)歷“恐怖七分鐘”后在火星表面著陸。毅力號的任務設計如何特殊,“恐怖七分鐘”到底有多恐怖?
“戴遮陽帽的飛碟”
毅力號是北京時間2020年7月30日由宇宙神-5運載火箭發(fā)射升空的。作為目前人類制造的最大火星車,毅力號的總重超過一噸,達到了1025千克,全部展開的大小甚至堪比小型SUV。
毅力號火星車測試 | 圖片來源:ESA
但搭載毅力號火星車的航天器卻令人意外地“簡樸”,以至于發(fā)射總重只有不到4噸。
航天器發(fā)射入軌狀態(tài) | 圖片來源:NASA
和常見的深空探測器不同,毅力號(包括同型的好奇號)的發(fā)射構型只包含一個圓片狀的巡航級,和飛碟狀的大氣進入、下降、著陸器(EDLS),乍一看仿佛一個“戴遮陽帽的飛碟”。說巡航級是“遮陽帽”頗為貼切,因為巡航級的外側敷設了太陽電池,在巡航階段提供航天器必須的電能。
在“飛碟”內(nèi)部,是處于收納狀態(tài)的毅力號火星車,以及用于動力下降和著陸的“空中起重機”。
毅力號火星車發(fā)射構型分解 | 圖片來源:NASA,由筆者標注
這樣看起來,整個航天器甚至有點簡陋。當然,說簡陋也不能算錯,毅力號的巡航級只能提供有限的軌道修正能力,不用像天問一號那樣執(zhí)行大幅度變軌和“剎車”——因為在任務設計中,這個“戴遮陽帽的飛碟”是被火箭直接送入奔火軌道的,也不需要環(huán)繞火星飛行,而是直接進入火星大氣。
這種登火方案對火箭有很高的要求,因為火箭不僅要將整個航天器加速到一般地球衛(wèi)星無法達到速度,更要保證入軌的精準度。如果軌道太“淺”,航天器會偏離預定著陸區(qū),甚至從大氣層中飛出,與火星擦肩而過;如果軌道太“深”,航天器可能沒有足夠的氣動減速空間,會直接墜毀在火星表面。
反過來說,只要火箭工作正常,毅力號的巡航級只需要進行一些軌道修正即可,巡航級也就不必選用大型軌道器,做成“遮陽帽”就足夠了。
“恐怖七分鐘”
毅力號和之前的好奇號一樣,在著陸火星的過程中要經(jīng)歷“恐怖七分鐘”。
在進入火星大氣之前,“遮陽帽”巡航級會被提前分離,只留下裝著毅力號火星車的EDL“飛碟”,向預定著陸場飛去。
從進入火星大氣,開始氣動減速的那一刻起,毅力號任務中最緊張的七分鐘開始了。
毅力號大氣進入、下降、著陸過程 | 圖片來源:NASA,由筆者標注
火星大氣并不是科學家的好朋友,因為和地球相比它實在是稀薄,但又絕不能忽略不計。我們知道,一個物體在地球上做自由落體,由于空氣阻力會隨著物體的速度加快而增大,最終會達到一個速度,使重力與物體所受空氣阻力平衡,這個速度叫“終端速度”。定性地說,在物體質(zhì)量、形狀和迎風面積不變的情況下,終端速度與所在星球的重力加速度和星球大氣密度之比決定,重力加速度越大,大氣密度越小,終端速度越快。
對于地球和火星而言,火星的重力加速度是地球的0.38倍,而大氣密度不足地球的1%,兩下一除,對同一個物體,在火星大氣層中的終端速度還是比地球快不少。
受控進入火星大氣 | 圖片來源:NASA/JPL-Caltech
因此在受控進入火星大氣的時候,必須在超過400米每秒的速度下張開降落傘進一步減速,毅力號也為此配備了高性能的超音速降落傘。
超音速降落傘測試 | 圖片來源:NASA
當傘花綻放在銹色蒼穹時,距離進入大氣層已經(jīng)過去了4分鐘,毅力號的“飛碟”要在20秒內(nèi)拋掉底部的防熱盾,讓自身攜帶的下降雷達與相機工作,決定最終著陸點。
在進入火星大氣后的350秒后,毅力號火星車連帶“空中起重機”下降級一同與降落傘分離。此時下降速度已經(jīng)穩(wěn)定在每秒90米,火星車距離地面2千米,但下降級必須立即進行一次橫向機動,而非馬上點火減速,否則火星車會一頭撞上剛剛分離的降落傘。
毅力號火星車與下降級“空中起重機”組合體 | 圖片來源:NASA
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本文僅代表作者個人觀點。
- 責任編輯: 小婷 
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