【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 石豪】

北京時(shí)間2月19日4時(shí)55分，美國“毅力號(hào)”火星車成功登陸火星，即將與同型的“好奇號(hào)”火星車一起執(zhí)行火星表面巡視探測任務(wù)。

而在此前的2月10日，我們的“天問一號(hào)”火星探測器成功實(shí)施近火捕獲制動(dòng)，順利進(jìn)入大橢圓火星軌道，完成了我國首次火星探測任務(wù)的“繞、著、巡”的第一步——“繞”。

與天問一號(hào)不同，毅力號(hào)火星車沒有環(huán)繞火星飛行，而是直接一頭扎進(jìn)火星大氣層，經(jīng)歷“恐怖七分鐘”后在火星表面著陸。毅力號(hào)的任務(wù)設(shè)計(jì)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(hào)是北京時(shí)間2020年7月30日由宇宙神-5運(yùn)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(hào)的總重超過一噸，達(dá)到了1025千克，全部展開的大小甚至堪比小型SUV。

毅力號(hào)火星車測試 | 圖片來源：ESA

但搭載毅力號(hào)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(hào)（包括同型的好奇號(hào)）的發(fā)射構(gòu)型只包含一個(gè)圓片狀的巡航級(jí)，和飛碟狀的大氣進(jìn)入、下降、著陸器（EDLS），乍一看仿佛一個(gè)“戴遮陽帽的飛碟”。說巡航級(jí)是“遮陽帽”頗為貼切，因?yàn)檠埠郊?jí)的外側(cè)敷設(shè)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(hào)火星車，以及用于動(dòng)力下降和著陸的“空中起重機(jī)”。

毅力號(hào)火星車發(fā)射構(gòu)型分解 | 圖片來源：NASA，由筆者標(biāo)注

這樣看起來，整個(gè)航天器甚至有點(diǎn)簡陋。當(dāng)然，說簡陋也不能算錯(cuò)，毅力號(hào)的巡航級(jí)只能提供有限的軌道修正能力，不用像天問一號(hào)那樣執(zhí)行大幅度變軌和“剎車”——因?yàn)樵谌蝿?wù)設(shè)計(jì)中，這個(gè)“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(jìn)入火星大氣。

這種登火方案對(duì)火箭有很高的要求，因?yàn)榛鸺粌H要將整個(gè)航天器加速到一般地球衛(wèi)星無法達(dá)到速度，更要保證入軌的精準(zhǔn)度。如果軌道太“淺”，航天器會(huì)偏離預(yù)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(dòng)減速空間，會(huì)直接墜毀在火星表面。

反過來說，只要火箭工作正常，毅力號(hào)的巡航級(jí)只需要進(jìn)行一些軌道修正即可，巡航級(jí)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(hào)和之前的好奇號(hào)一樣，在著陸火星的過程中要經(jīng)歷“恐怖七分鐘”。

在進(jìn)入火星大氣之前，“遮陽帽”巡航級(jí)會(huì)被提前分離，只留下裝著毅力號(hào)火星車的EDL“飛碟”，向預(yù)定著陸場飛去。

從進(jìn)入火星大氣，開始?xì)鈩?dòng)減速的那一刻起，毅力號(hào)任務(wù)中最緊張的七分鐘開始了。

毅力號(hào)大氣進(jìn)入、下降、著陸過程 | 圖片來源：NASA，由筆者標(biāo)注

火星大氣并不是科學(xué)家的好朋友，因?yàn)楹偷厍蛳啾人鼘?shí)在是稀薄，但又絕不能忽略不計(jì)。我們知道，一個(gè)物體在地球上做自由落體，由于空氣阻力會(huì)隨著物體的速度加快而增大，最終會(huì)達(dá)到一個(gè)速度，使重力與物體所受空氣阻力平衡，這個(gè)速度叫“終端速度”。定性地說，在物體質(zhì)量、形狀和迎風(fēng)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(duì)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(duì)同一個(gè)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(jìn)入火星大氣 | 圖片來源：NASA/JPL-Caltech

因此在受控進(jìn)入火星大氣的時(shí)候，必須在超過400米每秒的速度下張開降落傘進(jìn)一步減速，毅力號(hào)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(dāng)傘花綻放在銹色蒼穹時(shí)，距離進(jìn)入大氣層已經(jīng)過去了4分鐘，毅力號(hào)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(dá)與相機(jī)工作，決定最終著陸點(diǎn)。

在進(jìn)入火星大氣后的350秒后，毅力號(hào)火星車連帶“空中起重機(jī)”下降級(jí)一同與降落傘分離。此時(shí)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(jí)必須立即進(jìn)行一次橫向機(jī)動(dòng)，而非馬上點(diǎn)火減速，否則火星車會(huì)一頭撞上剛剛分離的降落傘。

毅力號(hào)火星車與下降級(jí)“空中起重機(jī)”組合體 | 圖片來源：NASA