毅力號着陸火星，人類下一站火星更進一步_風聞

北京時間 2021 年 2 月 19 日凌晨 4 點 55 分，毅力號火星車成功着陸火星。由於已經有了火星偵察軌道器、大氣專家MAVEN等做信號中繼服務和對着陸地點進行詳細勘察，且NASA已經對火星有了全方面的瞭解，可以抵達火星後直接着陸。

一、它的着陸過程“死亡七分鐘”發生了什麼？

火星表面引力僅為地球的38%，稀薄大氣僅為大氣平均密度的不足1%，着陸可以像在地球一樣使用空氣阻力和降落傘結合的方式減速，然而最後的速度依然會很大，必須通過主動的動力制動減速，最終降落到火星表面。根據着陸地區高度和地貌的不同，總的着陸過程時長僅為7-8分鐘。

火星距離地球非常遙遠，最近時也在5500萬千米級別，最遠可達4億千米，這意味着從地球到火星的通信往返時間為6-45分鐘，還要考慮二者同時在自轉、太陽輻射、空間天氣等因素的干擾，直接導致整個登陸過程不可能由地球上人工控制和監測完成，必須依靠着陸系統自主完成。因此，火星着陸過程又被描述為“黑色七分鐘”，甚至“死亡七分鐘”。

毅力號着陸的過程包括1000多個動作，這一切需要在7分鐘左右精準完成©️NASA

在抵近火星後，火星車會最後一次與地球通信，確保各個系統正常工作。隨後火星車與提供通信和動力模塊脱離，期間姿態控制噴氣發動機工作，嚴格控制着陸軌跡角度與方向。如果角度過大就會超過隔熱層能忍受的極限，如果過小任務就會像打水漂一般滑入深空。在飛到火星上空100餘千米、調整完角度後，被保護的火星車開始衝擊進火星大氣，“死亡七分鐘”正式開始。毅力號和好奇號將會採用基本相同的着陸流程，本文以好奇號的實際數據為例説明着陸過程。

被嚴密保護中的毅力號衝進火星大氣©️NASA

在45千米高度處，火星車隔熱層熱量達到巔峯，它的温度達到了驚人的2100攝氏度。在各種內部高科技保護和外部隔熱層的巨大犧牲下，火星車所處的温度僅為10攝氏度左右。在這個過程中大氣也實現了減速效果，速度降到450米/秒左右。在距離火星表面僅11千米時，由80根線連接、50米高、15米直徑的巨大降落傘打開，這是人類在其他行星上用過的最大降落傘。

通過降落傘又繼續工作75秒後，整個火星車的速度終於降到了僅有90米/秒，這已經是隔熱大底和降落傘拼盡全力工作的極限，但依然足以讓火星車摔得粉身碎骨。包括好奇號和毅力號在內的各種火星車最終着陸前大概都是這個速度狀態，依然還不夠慢，需要進一步減速。

NASA三代火星車尺寸對比©️NASA

在最終減速降落階段，不同火星車的技術路徑會走向不同方向。按照規格和複雜程度，人類有過三類火星車：

第一類以驗證技術為主，體型僅為十餘千克，例如蘇聯火星2/3號和美國探路者號攜帶的火星車，功能簡單，採用定點着陸器攜帶和氣囊彈跳方案減速降落；

第二類以勇氣號和機遇號為代表，體型超過200千克，攜帶相對複雜的儀器，採用氣囊彈跳和火箭反推方案減速降落。我國的天問一號也是此類，總重約240千克，採用着陸器攜帶降落並在着陸後釋放出來；

第三類以好奇號和毅力號為代表，體型已經超過900千克，能力有限的定點着陸器攜帶和氣囊彈跳已經無法完成使命，而必須採用人類行星着陸最高科技，空中吊車技術。

好奇號/毅力號降落過程中空中吊車技術最後一步（動圖）©️NASA/JPL

這種方案將火星車着陸系統分成兩部分，上部分是一個擁有8枚強力反衝火箭持續工作的空中吊車，在下降過程中它將火星車保護在中心。隨後火星車被釋放並被三根最長可達7.5米的尼龍繩懸掛着，另外有一根負責信號和控制指令傳輸的“臍帶”電纜傳輸數據。隨着減速過程高度逐漸降低，火星車的結構動力系統和動力系統逐漸展開，底部的傳感器通過“臍帶”向空中吊車報告實時狀態。

在空中吊車的懸停和精細操作下，火星車緩慢靠近地面，感應到穩定接觸火星地表後尼龍繩和電纜將會在瞬間被切斷。隨後空中吊車會用盡所有的能量向儘量遠地方飛去，最終墜毀。通過這種方式，巨大的火星車被釋放到火星表面。

要知道，這幾乎相當於把一輛家用小轎車從迪拜塔上扔下來後，中途啓動空中吊車（好奇號的空中吊車啓動時運動速度高達90米/秒、距離地表數百米），在短短几十秒內將相對速度減到幾乎為0，懸停避障並穩穩釋放火星車。而由於火星車上精密儀器的存在，對衝擊力的容忍程度非常低，相當於家用轎車的報警系統也不能被觸發，難度可想而知。

毅力號空中吊車技術會進行進一步升級（動圖）©️NASA

而由於毅力號的預計着陸區域處在遠古河流的三角洲區域內，地形地貌複雜，它的空中吊車還需要做進一步改進。需要它高度智能，自主規避風險區域，選擇最優路徑將火星車放到最理想的地點。如果説好奇號的空中吊車可以將它從迪拜塔安全“扔到”地面上，那麼毅力號的空中吊車則可以將它精準“扔到”停車位裏。

整體技術非常困難，NASA都直言不諱的説成功率只有40%左右，但最終毅力號終於成功了，可喜可賀！

二、毅力號着陸後意味着什麼？

即便繼續使用了好奇號的基準平台和成熟的空中吊車技術，但由於各種技術改進和更先進的儀器設備，毅力號並沒有變得更便宜，目前的預算已經超過了27億美元，已經超過了好奇號的25億美元。由於同樣使用放射性同位素熱電機/核電池技術，它的壽命也極有可能像好奇號一樣不斷延期（從2012年工作至今）。毅力號幾乎毫無疑問會成為人類歷史上最昂貴的一部車。

它的重量大約為1025千克，但可以換回約50噸黃金。

成功着陸，意味着它的主要科研任務都可以開展了，它們都代表着人類行星探測的最高科技。

相比較好奇號專注於分析火星土壤和岩石的物質組成，毅力號則專注於尋找生命的痕跡。它攜帶的X射線光化學熒光光譜儀，可以更加精細測定土壤和岩石的精細元素構成。所攜帶的新型地下雷達成像儀則直接可以探測地下十米以內的水冰和鹽水含量，並輔助監測有機物的含量。

好奇號降落到火星後的一張自拍（舉着相機的機械臂已被PS掉）©NASA

毅力號在好奇號的功能之外，主要帶有四個超級絕活：

a. 攜帶了一套火星製氧實驗裝置，可以將空氣中二氧化碳轉化為氧氣。對於人類未來的載人登陸火星任務，幾乎不可能將返回火箭發射時用的巨大燃料儲備送到火星地表，難度過大。而從火星空氣和土壤中提取甲烷、液氧、液氫等燃料無疑成為最佳選擇。而氧氣的製備，無論對於未來人類的生存還是火箭燃料來源，意義不言自明；

機智號火星直升機藝術效果圖 ©NASA/JPL

b. 攜帶了一台“火星直升機”。雖然火星的大氣密度和氣壓連地球的1%都不到，但毅力號將釋放一台僅重1公斤的超強直升機機智號，能夠實現每次最多3分鐘的工作時間。它可以極大擴展毅力號的探測範圍，單次可以最多探測1公里左右，這將是人類歷史上首次將有翼飛行器送入其他星球。要知道人類第一個火星車旅居者號在7天工作時間內才爬行了100米左右距離，而這個直升機每天的工作距離都是它的十倍之遠！

遍佈鏡頭的毅力號 ©NASA/JPL

c. 攜帶了共計23台照相機，歷史之最。除了工程和避險相機外，這23台中還能實現彩色成像、三維成像、微距成像、紫外激光器等一系列複雜功能。因此毅力號的功能也將大大提升:它不再需要停下來一塊一塊分析土壤和岩石，當發現值得研究的目標時，僅需調動相關相機就可在幾米開外詳細研究。

計劃接應並執行採樣返回火箭發射任務的火星探測器藝術圖 ©NASA/JPL

d. 在人類首次探測火星已經60年後，毅力號將開啓採樣返回的新一輪挑戰（俄羅斯曾經嘗試兩次但不幸失敗），這個火星車將會收集值得研究的火星土壤或岩石樣本，通過歐洲和美國任務的不斷接力，由下一個專注於發射火箭返回的探測器將樣本送回地球。火星車縱然已經功能強大，但和地球上的專業實驗室相比還不可同日而語，如果能夠帶回地球研究，得到的結論必將讓人大吃一驚。

這四個只是主線任務，其他方面還有很多。毅力號成功着陸，將意味着人類對火星的瞭解更進一步，我們距離真正踏上火星越來越近了。

在人類邁出那一小步之前，從未想過自己可以如此偉大。踏上火星的這一小步，將使人類從此成為一個跨越行星的物種。