探索火星的惊喜与惊吓 - 毅力号火星车成功着陆！
撰文 | 香瓜妈
美国JPL/Caltech当地时间2021年2月18日中午，毅力号火星车（Perseverance Mars Rover）成功登陆火星！十几分钟后，遥远的火星传来了毅力号的第一张照片，地球上期待已久的人们发出了胜利的欢呼：
毅力号：“你好世界！我第一眼看见的我永远的家。”
图源：Twitter, NASA's Perseverance Mars Rover.
此番人类再次成功发射火星车到火星表面，离上一次成功登陆火星的好奇号火星车，已经时隔8年多了。与以往的火星车相比，毅力号有几个不同的地方：
毅力号随身携带了一个小伙伴：直升机Ingenuity（小机灵）。Ingenuity看起来挺萌，是一个可以在稀薄的火星大气层起飞的小型飞行器，本次虽然不执行科学任务，却是对今后火星探索的新途径，火星直升机，的一次全新的尝试。
图源：NASA/JPL-Caltech
毅力号有一个重要的任务：寻找外星人（寻找地外生命存在的迹象）。为此，毅力号携带了一批实验仪器，用来分析岩石中生命存在的迹象，和收集样本。
在未来，毅力号计划发射小火箭，把采集到的科学样本发射出火星，等待人类接收回家研究。
预想的毅力号发射火箭运送样本离开火星。
图源：NASA/JPL-Caltech
人类从蒙昧时代就仰望星空，随着科技的进步，更是一步步迈向了探索宇宙的征程。但这个过程并不是一帆风顺的，甚至可以说有点惨不忍睹。所以，新火星探测器被命名为“毅力号”(Perseverance)，用以纪念人类屡败屡战的精神，名字颇有深意……
在毅力号着陆前夜，JPL/NASA 网红工程师 Robert M. Manning做了一次面向大众的科普报告，标题为：The Thrill and Terror of Landing a Spacecraft on Mars（着陆火星探测器的惊喜与惊吓）。不过他的报告内容，并不是传统的歌功颂德，而是哪壶不开提哪壶，总结了一大堆火星探测器们在“进入”（Entry，E），下降（Descent，D）和着陆（Landing，L）三个过程的失败经验。报告风趣幽默，听起来发人深省。
Robert M. Manning，加州理工学院校友，拥有NASA火星探索工程部门总管（ Mars Program Engineering manager for JPL’s Mars Exploration Program）等多个头衔，四次美国航空航天局奖章（NASA medals）等多个奖项获得者，也是一个非常受欢迎的科普工作者，曾被SpaceNews杂志评为1989年起全球100名在民用，商业和军事空间技术领域做出过杰出贡献的人。图源：NASA
人类对火星的探索始于70年代。虽然第一个火星探测器Mars 2着陆时爆炸了，但之后的几十年，各国又不断向火星发射了很多其他的探测器。
图：从初代到目前的火星探测器。
图源：NASA/JPL-Caltech
下面这个图总结了人类火星探测器的发射成功和失败的历史，其中深橙色都是坠毁了或者跑丢了的，浅橙色是着陆后死机了的，只有白色的是成功的。想到每次发射需要花费的巨额银子，实在是有点肉痛。Manning不得不自嘲：“ (this process)... makes you wonder if we know what we are doing” (真让人怀疑我们知不知道自己在干嘛...）。
图源：NASA/JPL-Caltech
下面这个图显示了一次次登陆失败和成功的地点，x标记的是成功的幸运着陆地，而失败的地点被贴心的标记了一个爆炸的图标。
图源：NASA/JPL-Caltech
Manning深入分析了各种失败，以及应对方法。比如，下面这个图总结了着陆过程：从右边起，探测器进入火星大气层（注意右下角一个小小的黑色三角形突起，是表示珠穆朗玛峰的高度，用来对比显示火星大气层的厚度），首先要找准火星所在的位置，避免扑了个空；还要找好角度，不能直直冲下去；然后慢慢减速；进入以前设定好的适宜着陆的位置。新一代探测器采取的是最后一个阶段近平行火星表面飞行一段距离，最后进入左下方红色标记的目标区域。整个过程每个小步骤出错都可能造成任务失败，所以科学家和工程师们看着火星探测器着陆是一件很揪心的事情，小心脏太弱的不行。
图源：NASA/JPL-Caltech
接下来，在“下降”（Descent）阶段，也有很多实际的问题，比如探测器表面的隔热层大小，如果计算不精准，就不能保证探测器不被烧毁：
各代探测器隔热层大小。
图源：NASA/JPL-Caltech
减速是很重要的一环。这个过程主要使用降落伞，不过这个降落伞可不容易做，需要在地球上少有的每小时1000英里的速度下打开，要保证打得开，还不能破。降落伞会在地球上经历很多测试，很多爆掉了。爆降落伞还挺好看的，仿佛听到了撕碎美钞的声音...
图源：NASA/JPL-Caltech
这是另一次在夏威夷高空测试中爆掉的降落伞：
图源：NASA/JPL-Caltech
我们从中学到了什么呢？Manning不无惋惜的说：“我们学到了降落伞不好做啊！” 当然，除此之外还有很多改进的意见，包括在降落伞上安装摄像头以便根据风速风向调整降落，一直到做出了较满意的降落伞。
在“着陆”（Landing）阶段，Manning讨论了如何避免损坏探测器。他首先提出了一个问题：“失败真的是成功之母吗？” 然后，他吐槽了各种被否决过的奇葩降落方式，以及科学家如何一步步讨论探究出毅力号的降落方案。
早期探测器使用气囊作为着陆的缓冲。在研究这个方法的过程中，JPL工程师和科学家一起意外的掌握了如何挑选合适的布料和绳子做出时尚的探测器服装，哦，不对，结实的气囊：
图源：NASA/JPL-Caltech
后期使用了推进器反向喷气减速。这个方法成功用在了一些探测器上，不过也失败过。比如，使用这个技术的Polar Lander就在着陆中神奇的消失了，后来的科学家查看了许多许多照片一直没找到它，不知是不是被外星人捕获了……
使用反向推进器着陆
图源：NASA/JPL-Caltech
随着探测器越来越大，技术难度也逐步增加。提到最近发射的大型探测器，Manning还做了个现场小实验：
要解决的技术问题是：探测器着陆时，被空中吊车（Sky Crane）吊着，经常像钟摆一样左摇右晃的。如果就这么下去了，很容易侧面亲吻大地，易损坏比如轮子啥的。为了解释这个过程，他操起了一个充电器晃了起来。别说，如果就这么打手上了力度还真不小，隔着屏幕外只听见充电器啪啪的撞着手表（心疼一下手表...）。
图源：NASA/JPL-Caltech
如果等着它自己停，这个过程非常的缓慢：
图源：NASA/JPL-Caltech
解决这个的方法呢？有人提出了在上面加一个动力，用天津话说，不时的㩐一下绳子，神奇地阻止了摇摆：
图源：NASA/JPL-Caltech
大家不妨试一试，挺有意思的。从这个例子也可以窥见航空航天的科学家和工程师平时都干点啥。怎么样，小机灵的你对这种工作感兴趣不？
理想状态下探测器着陆的效果模拟：垂直缓慢降落。
图源：国家地理杂志
登陆火星全程
图源：NASA/JPL-Caltech
说了这么多，总结一句话：人类探索宇宙的征途充满了挑战。中国发射的火星探测器天问一号已于今年2月10日进入了环绕火星轨道，其上携带的火星车预计五月着陆火星表面。我们在这里也预祝天问一号好运！
我们的征途是星辰大海！在这个过程，即便出现了一些小插曲，也不足以阻挡我们前进的脚步！NASA, we don't have a problem!
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