石豪：比起天問一號失聯半小時，毅力號“恐怖七分鐘”有多恐怖？
【文/觀察者網專欄作者 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、着、巡”的第一步——“繞”。
與天問一號不同，毅力號火星車沒有環繞火星飛行，而是直接一頭扎進火星大氣層，經歷“恐怖七分鐘”後在火星表面着陸。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運載火箭發射升空的。作為目前人類製造的最大火星車，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”，以至於發射總重只有不到4噸。
航天器發射入軌狀態 | 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、着陸器（EDLS），乍一看彷彿一個“戴遮陽帽的飛碟”。説巡航級是“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”內部，是處於收納狀態的毅力號火星車，以及用於動力下降和着陸的“空中起重機”。
毅力號火星車發射構型分解 | 圖片來源：NASA，由筆者標註
這樣看起來，整個航天器甚至有點簡陋。當然，説簡陋也不能算錯，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衞星無法達到速度，更要保證入軌的精準度。如果軌道太“淺”，航天器會偏離預定着陸區，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。
反過來説，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，在着陸火星的過程中要經歷“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，只留下裝着毅力號火星車的EDL“飛碟”，向預定着陸場飛去。
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、着陸過程 | 圖片來源：NASA，由筆者標註
火星大氣並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，由於空氣阻力會隨着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”。定性地説，在物體質量、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。
對於地球和火星而言，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
當傘花綻放在鏽色蒼穹時，距離進入大氣層已經過去了4分鐘，毅力號的“飛碟”要在20秒內拋掉底部的防熱盾，讓自身攜帶的下降雷達與相機工作，決定最終着陸點。
在進入火星大氣後的350秒後，毅力號火星車連帶“空中起重機”下降級一同與降落傘分離。此時下降速度已經穩定在每秒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
躲過了降落傘，“空中起重機”點火減速，帶着毅力號火星車飛向最終着陸點。為了避免火箭噴射氣流濺起的土壤污染火星車，“空中起重機”將在着陸點上空20米用線纜將火星車吊放到火星表面——這也是“空中起重機”之名的由來。
“空中起重機”吊放火星車 | 圖片來源：NASA
當毅力號火星車成功着陸後，吊放線纜必須馬上切斷，“空中起重機”加速飛離火星車上空，在遠處墜毀。否則燃料耗盡的“起重機”會直接砸到火星車上。
至此，火星上的“恐怖七分鐘”結束，地球上的“恐怖”還在繼續。由於毅力號降落時地火通信延遲超過10分鐘，當地球收到探測器進入火星大氣的信號時，毅力號的“恐怖七分鐘”已經結束，火星車要麼平安落地，要麼出現故障導致損毀，地球上的科學家對此無能為力，只能眼睜睜地看着。
恐怖源於未知。在好奇號2012年8月登陸火星時，地球與火星的通信延遲達到14分鐘，因此也有科學家表示“恐怖七分鐘”其實是從好奇號着陸到地球收到它進入火星大氣層信號的7分鐘。
科學家們有理由感到擔憂，我們再看一遍毅力號的着陸過程：如果進入火星大氣的姿態不正確，如果防熱盾出現故障，如果降落傘沒有正確展開，如果防熱盾沒有分離，如果地形相對導航出現故障，如果“空中起重機”撞到降落傘，如果“空中起重機”點火故障、或姿態失穩，如果毅力號火星車切纜繩切早了、或者切晚了，如果“空中起重機”燃料提前耗盡，如果“空中起重機”沒有飛離……
以上這些如果，只要有一個成真，那毅力號的結局就是墜毀。
風險再大，NASA還是排除萬難採用了，並且取得了好奇號和毅力號兩次成功。
前人栽樹
至於為什麼選擇“空中起重機”這種風險極高的方案，那是因為美國上一代火星車（勇氣號、機遇號）只有不到200千克，依然可以採用氣囊緩衝着陸的方式，而超過一噸的好奇號與毅力號對於氣囊而言實在是太重了。
選擇着陸器釋放火星車儘管是直覺上的最優解，但着陸器的支撐結構也很重，還不能在過於崎嶇的火星表面降落，要多帶燃料懸停避障，這將進一步增大航天器的發射質量，導致宇宙神-5力不從心，需要更強力、更昂貴的運載火箭。
任務超支，NASA家裏也沒有餘糧。
毅力號火星車拍攝的火星表面照片 | 圖片來源：NASA
因此，儘管毅力號的任務設計冗餘度很低，“恐怖七分鐘”危險重重，任何一個環節出錯都會讓27.5億美元的總投入打水漂，NASA還是大膽地採用現行方案。
雖然大膽，但NASA並不莽撞，毅力號的設計是有足夠先驗數據支持的，NASA的底氣正是源於美國幾十年的火星探測經驗。
一般來説，從地球發射探測器到火星要在地火距離比較近的時候出發，發射窗口每26個月一次。所以看歷史上發射的火星探測器，都是各國在某一個窗口集中發射。
蘇聯在1960年、1962年和1964年窗口分別發射了多個火星探測器，但全部以失敗告終，反而是美國後發先至，1964年11月發射的水手4號成為了人類歷史上第一個飛掠火星的探測器。
水手4號 | 圖片來源：NASA/JPL-Caltech
1971年5月，在阿波羅登月如火如荼之時，美國發射了水手9號，並再一次後發先至，以11天的微弱優勢擊敗蘇聯火星2號，成為人類歷史上第一個地外星體環繞器——也就是成了火星的第一顆人造衞星。
水手9號 | 圖片來源：NASA/JPL-Caltech
到了1975年，美國更是一口氣發射了海盜1號和海盜2號探測器，二者設計相同，都是環繞器+着陸器的配置，發射重量達到3.5噸。
海盜號火星探測器組合體 | 圖片來源：NASA
1976年兩枚海盜號探測器分別成功登陸火星，為冷戰中美國的火星探測畫上了圓滿的句號。
海盜號着陸器 | 圖片來源：NASA
冷戰結束後，NASA恢復了火星探測任務，現在美國在火星有3個環繞器（人造火星衞星）、1個着陸器、2個巡視器處於工作狀態，為科學家提供源源不斷的數據。因此毅力號並不需要自己考察着陸點，美國的火星衞星已經為它代勞了。
前人栽樹，後人乘涼。
美國目前對火星的探測，是世界領先的，這種領先地位的獲得並不是“上帝保佑”，而是幾代美國科學家的智慧結晶，更是自上世紀50年代以來歷屆美國政府對火星探測長期高額投入的結果。
中國是發展中國家，在美國水手4號抵達火星的時候，我們的第一顆人造地球衞星東方紅一號還在研製。
我們沒有趕上冷戰中美蘇兩國的航天井噴時代，那時候我們沒有錢，也沒有技術。
三十年河東三十年河西，我們已經富強起來，攻守之勢正在悄悄轉變。
這正是我們大力發展航天技術的好時機，想要追上航天超級大國的腳步，我們更需要把握住歷史機遇，把航天發展的前期投入補足。
正如習近平同志2月22日會見探月工程嫦娥五號任務參研參試人員代表時強調的，我們應當勇攀科技高峯，服務國家發展大局，為人類和平利用太空作出新的更大貢獻。
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