一文看懂 美国“毅力号”与中国“天问一号”的区别
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”
ID l gh_8d77fb10e8df
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。。