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  • 1 # 趣談科學

    發射飛船上火星的難度遠比月球要難的多,“恐怖7分鐘”就源於此,這就像多年寒窗苦讀,走上了考場,能否過獨木橋全靠這7分鐘,家長是兩眼一抹黑,只能等待最終的成績。

    登月與登火星誰更難?

    1969年,人類成功在月球上插上了旗子,拿回來了“土”特產。很多人質疑,認為技術難度太高。到底是在質疑人類當時的科技水平,還是吃瓜群眾就喜歡陰謀論呢?

    如果是科技水平,為什麼沒人質疑火星任務呢。同一時期人類也向火星邁出了腳步,1962年前蘇聯,1964年美國水手四號探測器等等大量火星任務,有興趣的去查查資料。

    到天問一號發射前為止,人類已經發射了45個火星任務。第一次是1960年,前蘇聯,最後一次是美國宇航局的“洞察號”,於2018年11月26日在極樂空間基地著陸。在這45次任務中,19次成功,26次失敗,多次失敗都是因為著陸器“姿勢”不對,“摔”在了火星上,在火星上軟著陸並不是一件容易的事。

    地球和火星的距離最近時只有5500萬公里,但是去往火星並非像扔飛鏢從A到B牆上的10環,那麼簡單,你可以簡單理解為扔了個“迴旋鏢”。由於不同軌道之間運動的複雜情況,在到達火星旅行距離會成倍增加。

    火星和地球在太空中都不是靜止的,而是以不同的速度圍繞太陽執行,火星就像一個旋轉移動的靶心。這意味著要到達火星,必須遵循橢圓軌道,執行從地球到火星軌道的轉換。這個巨大的橢圓軌道,在技術上被稱為霍曼轉移軌道,我們剛發射的天問一號走的也是這條軌道。

    移動的靶心要打提前量。在這種空間追逐中,宇宙飛船逐漸縮短了它與火星的距離,同時宇宙飛船和火星都繼續繞太陽執行。這種軌跡有點像怕越位的足球隊員望著足球傳出的軌跡,然後追著球,看能否球落地,人達到,然後抬腳把球完好無損的接住,而不是射門。當然傳球可以直線,拋線,球員可以用頭、腳、胸等控制,而火星不是人,飛船需要軌道計算,接觸姿態等一系列複雜的問題。

    由於不能直線到達,因此火星的航行就需要按著軌道“繞道”而行,距離從大約5500萬公里,提升到超過4.5億公里,如果選擇利用地球的“引力彈弓”效應,燃料可以節省,但距離還需要增加,距離意味著延遲。

    無線電從地球向火星傳送一個指令平均需要12.5分鐘,而接收返回訊號需要同樣的時間,因此從地球上實時遙控探測器降落到火星表面是根本不可能的,整個過程必須自動化。因此,沒有機載計算機的幫助,就不可能實現自動控制下降。機載計算機要能夠根據實時情況處理複雜的操作,而預計的操作必須與實際情況完全匹配。很多人說登月的時候電腦還是電晶體,但卻沒有人意識到好歹阿波羅飛船上還坐三個人呀,而且月球上沒有“風”(大氣)!

    從這裡看,登月實際上要比火星登月容易得多,就像某斯拉,你人睡在車上,讓它從北京自動駕駛到上海,到底能不能到你並不知道。而如果是從北京到河北,還有人在駕駛位子上看著,隨時準備介入,大機率是能到的。

    恐怖7分鐘

    由於我們在地球上無法介入,從進入火星大氣層到著陸之間的這段時間就被戲稱為“恐怖7分鐘”別看這短短七分鐘,對於那些在地球上等待火星訊號的人來說,數年的設計、數億的投資以及整個事業的成功或失敗都取決於這每一分每一秒,計算機的每一條指令,程式碼中的每一個字元。

    第一個危險是進入大氣層,這個過程必須要有合適的傾角,大約是12度。此時,前面的隔熱板需要具備兩個基本功能:

    1.吸收飛船的大部分動能,由於大氣摩擦可以使飛船在兩分鐘內從20000公里/小時減到1600公里/小時左右;

    2.保護飛船上的精密儀器和電子元件不受摩擦產生的熱量的影響,熱量很容易超過1000攝氏度。

    隨後,在距離地面約9-10公里的地方,下一步減速的任務交給降落傘。火星的大氣比地球的稀薄得多,降落傘的作用也是有限的。單單依靠它,所有的東西落在火星上只能是一堆“渣”。

    大氣層中雖然不能借摩擦力踩剎車,但我們可以反向加速。因此,探測器必須配備反向火箭,從距離地面2公里處開始工作。聽著很簡單,除了速度,你注意“臉先,還是P股先”著地了嗎?去年印度登月的20多公斤的“遙控小汽車”就是因為“姿勢不對”落地摔了個粉碎。因此,在此之前我們還需要一些列的操作:

    開啟降落傘;前擋熱板的釋放;開啟後護罩和降落傘;測高儀開始工作以測量離地面距離的變化

    圖:好奇號從進入大氣層到軟著陸火星表面這段“恐怖的七分鐘”期間必須執行一系列複雜的自動操作

    當反向火箭停止下降直到接近零的速度時,著陸器和探測車會以自由落體的方式完成最後幾米。當然軟著陸並不能硬碰硬,所以我們還需要氣囊。在第一次與地面接觸後的一系列彈回中,安全氣囊吸收了大部分與地面碰撞時的動能。

    圖:探路者號使用的安全氣囊。

    與此同時,隔熱板、降落傘、火箭需要保證脫離時可以和探測器保持距離,以確保掉落到地面的各種碎片不會干擾安全氣囊的彈跳。誰也不想“遙控汽車”好不容易著地了,然後被降落傘蓋住了,走走輪子還被纏住了,走都走不出去。當探測器著陸了,保護殼打開了,它才會向地球發出“我到家了”的指令,表明著陸成功了。

    然而,從時間的尺度上看火星表面降落到底有多難?這件事所需的技術在40年前,計算機的處理能力比今天的要低得多時就成功過。然而成功的背後還有一半的失敗,天問一號能否走過這“恐怖7分鐘”,是中國探測火星的關鍵。

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