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一文看懂 美国“毅力号”与中国“天问一号”的区别

维罗阳光 2021-03-22

The following article is from 吹号角的凌飞 Author 吹号角的凌飞

本文经授权转载自 | 微信公众号“吹号角的凌飞”

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作者 l 吹号角的凌飞

火星车,严格来说应该称之为:火星巡视器

巡视器:Rover (space exploration)




01 发射




2020年7月30日,毅力号(Perseverance)搭乘美国联合发射联盟公司(ULA)的宇宙神5型运载火箭,从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。



宇宙神5型运载火箭首次发射时间为2002年8月21日,技术来源是一款从老产品宇宙神2型及3型(没有4型)发展而来,箭体直径3.81m。



2021年2月18日,历时203天后,毅力号火星车顺利在火星上着陆。



着陆地点:耶泽罗陨石坑(Jezero crater)



着陆后拍下第一张照片↓


这个风格与好奇号是一样的,因为毅力号也是由好奇号团队研发的。



这是好奇号着陆后第一张照片↓


之所以选择在耶泽罗陨石坑着陆,是因为这一区域极有可能发现过微生物生命存在的迹象。



约30亿至40亿年前,一条河流流入耶泽罗陨石坑当时所在区域,形成了充满碳酸盐矿物和粘土的冲积三角洲。



毅力号团队认为,这个古老的三角洲地区可能能找到有机分子,或其他潜在的微生物曾经存在过的生命迹象。



当然代价是更大的任务失败风险



——毅力号降落的地点耶泽罗陨石坑附近散布着巨石、悬崖和沙丘,地形复杂,地势严峻,稍有失误就会导致任务失败。





2020年7月23日,天问一号搭乘长征五号火箭从海南文昌发射升空,时间比毅力号还要早一周。



长征五号是长征最新一代液体捆绑式重型运载火箭,箭体直径5m。



它是目前中国起飞质量最大、芯级直径最粗、运载能力最强、技术最先进的火箭。



2021年2月10日,历时202天后,天问一号终于顺利进入火星轨道,预计还要再等待3~4个月,于2021年5月至6月择机实施火星着陆。



着陆地点:乌托邦平原。



乌托邦平原是火星上最大的平原,也是1976年9月3日美国海盗2号在火星上的着陆与探索区域。



此处地势平坦,地形比较不复杂,着陆难度较低。


(点击放大查看)



02 历史




毅力号是美国NASA长期以来火星探测的最新成果。



属于NASA“火星探索计划”(Mars Exploration Program)的一部分。



它是美国第8个火星着陆探测器,第5台火星车,也是世界上第2辆采用核动力驱动的火星车(第一辆是好奇号)。



美国是目前唯一一个在火星实现巡视器着陆并工作的国家,在毅力号之前,着陆并工作的巡视器有:



1997年7月火星探路者号(MESUR Pathfinder)所携带着陆的旅居者号(Sojourner)火星巡视器。



2004年1月火星探测漫游者(Mars Exploration Rover, MER)所携带着陆的勇气号(Spirit, MER-A)和机遇号(Opportunity, MER-B)。



2012年8月火星科学实验室(Mars Science Laboratory)的好奇号(Curiosity)成功登陆火星。



好奇号改进的结果,就是毅力号。



左为MER勇气号/机遇号,前方为旅居者号,右为好奇号。



对比一下轮子↓





天问一号并非中国首次火星探测尝试。



2011年,中国的首枚火星探测器“萤火一号”,曾随俄罗斯“天顶2SB”火箭发射升空,但因为火箭未能成功变轨而宣告任务失败。



10年后,被命名为“天问一号”的火星探测器再度出发,天问一号并没有对轨道器、着陆器、巡视器进行分别命名,这一点与美国NASA分别命名有所区别。



在此之前,中国在地外行星上着陆的巡视器,仅仅为在月球着陆的玉兔1号与玉兔2号。



相比较而言,火星比月球更远离太阳与地球,重力更大,而且有疯狂的沙尘暴,这都与安静的月球环境差异极大。





03 技术参数




毅力号长3米、宽2.7米、高2.2米,还有一个五关节的2.1米长的机械臂,重1050千克,使用核动力装置MMRTG(multi-mission radioisotope thermoelectric generator)。




它是美国目前体积最大、重量最重的火星车。



毅力号是由大获成功的好奇号改进而来,NASA重新设计了毅力号的轮子,加大加强了轮子,使其更加坚固,避免出现之前好奇号轮子破损的问题。



毅力号大大加强了摄像头,一共多达23个摄像头。



同时还首次安装了两个麦克风,这也是麦克风第一次被送上火星,人类终于可以听到火星上的声音了。



毅力号搭载了多种探测器,其中包括多国合作的部件。



毅力号还搭载了名为“火星地下实验雷达成像仪(RIMFAX)”的探地雷达,这是第一个在火星表面运行的探地雷达,科学家可以利用它拍摄高清图像,以研究被掩埋的古代河床等地质特征。



最有创新的是,毅力号还搭载了名为机智号 (Ingenuity)的无人直升机。



这是无人直升机技术在地球外的首次使用。



机智号无人直升机重1.8公斤,高0.5米。2对同轴反转的碳纤维制成的旋翼叶片,长度达1.2米(3.9英寸)。



最顶端是长方形的太阳能电池板。



直升机核心平台是高通骁龙Robotics Flight 801平台,由高通处理器连接到两个飞行控制微控制器单元(MCU)上,通过智能算法来实现自主飞行的功能。



直升机自带两台照相机,一台彩色照相机,一台黑白照相机。



机智号外壳的内部是由二氧化碳填充的隔温层,而没有使用昂贵的黄金镀层和硅气凝胶层。



火星大气层密度仅地球大气层的1%,极其稀薄,在火星表面起飞相当于在地球上3万米以上的高空起飞,而目前地球上现有的无人旋翼机,最多只能在6500米以下正常飞行。



除了大气密度低,火星上的音速也比地球低1/3,只有240米每秒。所以直升机的旋翼叶片不能转地太快,如果叶片的末梢速度超过音速,就会引发强烈的颤振,最终设计转速为每分钟2400转。



好在火星表面的重力只有地球的38%,这倒是降低了无人机对功率的要求。



机智号将在着陆后60-90天从毅力号腹下分离。



分离的过程请看以下视频↓


与毅力号分离后,机智号将开展为期30天的飞行测试,飞行高度距地面3至5米,飞行距离最大300米(980英尺),每次飞行不超过三分钟。



机智号飞行中可以进行自主控制,可直接与毅力号通信。



这将是人类首次实现飞行器在其他星球的受控飞行。





天问一号目前没有更多的官方数据。



天问一号巡视器的重为200~240千克,高约1.85米,6个车轮,携带6台科学仪器。



6台仪器分别是:



多光谱相机,次表层雷达,成分探测仪,磁场探测器,气象测量仪,以及一台地形相机。



天问一号没能使用核动力,而是使用太阳能充电板为动力,使用新型的锂氟化碳电池进行蓄放电。


(第69届国际宇航大会上展出的天问一号上的火星车模型1:4)



04 着陆技术路线




毅力号继承自好奇号,继续以“空中吊车”(sky crane)的方式着陆火星。



在进入火星大气层后,先由大底(隔热罩)扛住冲入火星大气层后因摩擦带来的巨大热量,同时快速减速。



然后后拉出降落伞继续减速。



接着抛掉大底,传感器精确定位,毅力号使用了地形导航技术,能将拍摄的火星地貌与此前保存的地图进行比较,从而确定着陆地点周围的环境,并避开陡坡等不宜降落的地形。



最后放出空中吊车(sky crane)悬停式着陆系统,空中吊车的火箭反推装置点火后继续减速,然后缓缓下降。



至于降落伞就不管它了,随便飞走就是。。



接着空中吊车悬停在空中,放出吊索将毅力号放下,等到车体变形完毕(展开放出轮子),当轮子触地完成着陆后,将成功着陆信号由吊索传递到空中吊车,吊索自动切断,空中吊车平台最大功率启动侧飞飞走,然后坠毁在尽可能远的地方。



动画过程↓


这个方案的优点是可携带大型的火星车,对着陆区域地形要求低。



缺点:技术难度最高。





天问一号的降落,是使用最简单的火箭反推降落。



着陆器与降落伞分离后,底部的火箭反推装置开始工作,缓慢下降到触摸地面为止,在这一阶段,反推火箭需要一直工作,直到降落火星表面为止。



当着陆平台降落到火星表面后,放出两条导轨,然后再放出巡视器。



这种方案的优点是最简单,安全系数高。



缺点是对着陆区地形要求高,复杂地形就不行,并且无法携带大型的火星车。




05 中美差距




航天领域是中美两国科技差距最小的领域之一。



因为中国的航天是可以用“万中选一”的方式,用昂贵的成本堆出必要的性能。



天问一号的技术水平,大概与2003年的勇气号/机遇号是相当的。



比起毅力号,则差距甚远。



——只要看看毅力号可以比天问一号后发先至地从地球飞向火星,然后一气呵成地降落成功,而且质量体积还比天问一号都大了一大圈,这个技术的差距就很明显了。



天问一号与与2003年的勇气号/机遇号,二者无论从体积、质量,甚至到外形,都有很大的相像。



当然我们不能说天问一号是山寨与勇气号/机遇号,毕竟相同的问题,总是有着相似的答案。



只不过,勇气号/机遇号历时207天/202天就降落到火星上,而天问一号还在轨道上徘徊。



当然,美国算是登陆火星的老司机了,而天问一号做为新手上路,多点时间也很正常。


(中国天问一号)

(旅居者号/机遇号)


勇气号/机遇号火星车,高1.5米,宽2.3米,长1.6米,重180千克。使用太阳能为动力,使用德尔塔II运载火箭发射,使用气囊降落。



勇气号2003年6月10日发射,2004年1月3日着陆火星表面,历时207天。



机遇号2003年7月7日发射,2004年1月25日着陆火星表面,历时202天。



德尔塔II运载火箭是一款更古老的火箭,1989年首次发射,箭体直径2.44m。



与好奇号/毅力号相比,无论是重量、体积,还是功能上,天问一号还有巨大差距。



如果天问一号能够成功着陆并正常工作,这意味着中国航天与美国航天的差距拉近到10多年。



这个本身就是一个非常了不起的成就。




06 核动力




天问一号与毅力号还有一个巨大差别,那就是毅力号使用的是核动力。



火星不比月球,火星距离地球很远,信号往返需要时间更长,无法实现实时控制,所以完全依赖航天器自身的自主控制能力。



火星更加远离太阳,在火星上能够收到的光照强度,要比地球与月球上收到的弱得多,只有地球的40%左右。



相比于月球环境,月面接近真空,不存在云层遮挡、沙尘等问题,火星的环境要复杂得多,火星表面有沙尘暴,一次爆发还会持续数周。



火星低光强与沙尘暴,决定了航天器需要进行严格的保温措施以应对夜间的低温,要求航天器表面的涂料具有低吸收低发射特性,而太阳能面板需要有很高的转换率。



应对这种挑战,以机遇号为例,在夜间,使用8个放射性同位素加热元件加热仪器,每个加热元件依靠放射性元素衰变可持续产生1瓦的热能。实在必要时也可以使用电加热装置。保温绝缘装置由黄金镀层和硅气凝胶层构成。



但即便如此,在2018年一次席卷全火星的沙尘暴中,机遇号最终还是没挺过来,NASA最终于2019年2月宣布任务中止。



所以火星车最好的动力选择是核动力,工作时间长(半衰期为87.7年),输出稳定(在任何情况下提供125瓦的功率输出),并且不受太阳能的限制,特别是在沙尘暴的火星上。



而且核动力还能为仪器供电,输出热量保温,持续工作能力强。



——比起机遇号上的8个1瓦的核能加热元件,毅力号的能够稳定输出125瓦的核动力MMRTG简直是直接吊打一切。



MMRTG安装在毅力号的翘起的尾部。


中国的核电池技术离美国还很远,离俄罗斯也有距离。



嫦娥4号上搭载的核电池,是中俄联合研发的。



当然,核动力的体积与重量也是天问一号的小身板所不能承受的。



但对于想要在火星上一展身手的中国航天来说,核电池技术是必须要啃下的难关。




07 机智号的开放




虽然在民主党主政时期,NASA长期经费不足,直到川普上台后才得到相对充足的经费。



虽然超级军工巨头,也是超级“大公司病”的波音与洛马联合搞了个ULA,试图垄断航天发射市场,疯狂上涨的发射报价让NASA叫苦连天:地主家还没个余粮啊,不带这么宰人的。。



虽然波音与洛马的“大公司病”让NASA无力吐槽,拖累了NASA的星辰大海的大业。。



但,很官僚机构的NASA却常常有超出官僚主义的“不走通常路”,秀出的作品常常让人感到惊艳。。



比如今天四处秀回收再发射的的Space X,就是NASA慧眼识珠,丢出16亿的大订单直接催化出来的。



——虽然NASA最初的想法只是想借Space X来敲打一下波音与洛马。



而这次毅力号最有创新色彩的,就是这个机智号无人机。



这是一个采用了开放的源Linux系统,通过电商平台SparkFun购买现有的民用货架商品组装出来的新设备,当然也可以视为是实验验证性质的。



核心平台是高通骁龙Robotics Flight 801平台,使用的正是普通手机中的高通骁龙801手机芯片



一般的航天器材,比如中国航天所用的,都是军工级的,都是搞“万中选一”的做法,这样的做法,好处是质量可靠,缺点是成本非常高昂。



在没有独立核算之前,中国航天还能亏本赚吆喝,利用民用发射市场的名义进口管制芯片等等器材,而至于用到哪了,你懂的。



后来被制裁后,这条路就走不通了,发射单价也就水涨船高了。



PS:现在中国国内所谓的“民营航天”,基本上都是在忽悠骗钱。。



在机智号项目上,NASA表现出很强的开放心态,鼓励项目组大胆去试,并愿意承担一些风险,允许项目组在市场上采购民用产品。



比如NASA的火星探测器,使用的是VxWorks操作系统。而机智号却使用的是开源Linux系统,一个开放的平台。



而且不仅仅核心平台用的骁龙801处理器是普通的手机硬件,连导航设备,惯性测量单元IMU、激光测距仪等设备,都是普通的民用级硬件,极大地降低了成本,同时计算能力大大提升。



这种思路,是在考察这些民用品能不能在火星上与军工产品一较高下,这个思路与当年催化Space X是一脉相承的。



敢于开放,勇于创新,大胆尝试,寻求引入民用产品降低费用,这是NASA一直在努力的方向。。



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