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?

【文/观察者网专栏作者 石豪】

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。

毅力号火星车测试 | 图片来源:ESA

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