火星探測器“天問一號”成功著陸火星

在給大家講解這個新聞之前，我先帶著大家了解以下這次火星任務(wù)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)的設(shè)備名詞。

首先是長征五號遙四運載火箭，這是將天問一號探測器發(fā)射到太空，并且將探測器送入地火轉(zhuǎn)移軌道。此時，天問一號探測器就“裝”在長征五號火箭頂部的整流罩內(nèi)。

而“天問一號”探測器也分為不同的部分——天問一號環(huán)繞器和天問一號著陸器。在準備著陸火星之前，環(huán)繞器和著陸器是合二為一的，而當準備著陸火星的時候，環(huán)繞器和著陸器分離。為什么要將他們兩個分開來呢？這是因為著陸器擁有隔熱大底，降落傘和反推火箭等各種著陸裝置，具備抵御進入火星大氣層摩擦產(chǎn)生的高溫，減速緩沖等著陸必備的功能；而環(huán)繞器不僅能在接下來的時間里繼續(xù)對火星展開在軌觀測，還能充當?shù)孛嫣綔y器的中繼衛(wèi)星——也就是在火星的“基站”。

著陸火星后，天問一號著陸器將會釋放出其內(nèi)部的火星車“祝融號”，這樣，最終在火星表面將會有兩個平臺，也就是固定的天問一號著陸器和移動平臺“祝融號”火星車。

從技術(shù)上看，這次著陸也可謂是歷經(jīng)千難萬險。由于火星距離地球十分遙遠，最近也有5500萬公里，最遠更是達到了2億公里，而信號的傳播速度——光速只有30萬公里/秒，這也就意味著在著陸火星的過程中，地面人員無法實施操縱。因此，不論國內(nèi)還是國外，大家都將探測器著陸火星所經(jīng)歷的這段時間稱為“恐怖七分鐘”

為了保證火星著陸巡視器能安全、平穩(wěn)地著陸在火星上，科學家為其設(shè)計了四個關(guān)鍵步驟：

第一步，氣動外形減速。使其在進入火星稀薄的大氣時，能產(chǎn)生足夠大的阻力，并且還不會翻車、亂撞、倒向飛行。

第二步，降落傘減速。著陸巡視器配備了一個全自動的降落傘，在減速到一定程度時，它會自動打開。

第三步，動力減速。著陸巡視器攜帶的發(fā)動機會在合適的時機在運動的反方向啟動，對其自己產(chǎn)生反推力，從而達到減速的目的。

第四步，當運行到距離火星表面100米左右時，著陸巡視器的速度要減到相對為零，進入懸停狀態(tài)，利用探測器所攜帶的相關(guān)儀器設(shè)備，對下方的著陸區(qū)進行選擇，盡量尋找一個相對安全的地方著陸下去。

大概在北京時間5月15日的凌晨4點鐘，祝融號就和天問一號分離了。幾個小時以后才進入了火星大氣比較稠密的部分，高度是125公里。這個時候祝融號的速度是4.8公里每秒。降落到火星上的這個物理過程就是要把祝融號的動能和勢能全部消耗光，最后速度和高度都變成0。根據(jù)動能定理，90%的能量是靠火星稀薄的大氣層來消耗的。

火星大氣和祝融號摩擦會造成嚴重發(fā)熱，所以祝融號必須有一個防熱大底在前邊頂著。等到了10公里的高度，速度已經(jīng)下降到了460米/秒，這時候防熱大底就可以拋棄了，火星車就露了出來，頂上彈出降落傘來減速。

火星上的空氣非常稀薄，因此音速也很低，大概只有240米/秒。所以，即便是祝融號的速度降低到460米/秒，也相當于兩倍音速。在超音速狀態(tài)下開傘，這是一個前所未有的難題。好在我國有各種尺寸的超音速風洞。而且還用探空火箭在地面上充分測試過超音速狀態(tài)下降落傘的開傘。所以，這一次祝融號在火星大氣層里成功地打開了降落傘，把速度從460米/秒降低到了90米/秒。

但是這個速度仍然太快，因此，最后底部的7500牛頓變推力發(fā)動機開啟反推。降落傘被拋棄，祝融號開啟了最后的降落過程。

當距離火星表面還有100米的時候，祝融號需要懸停在空中，開啟地形探測設(shè)備，找一塊合適的地方降落。為了保持姿態(tài)，周邊的小發(fā)動機在在不斷地噴氣調(diào)整姿態(tài)。探測器和發(fā)動機的配合不能有一點誤差，否則最后一步要是摔了，那可就前功盡棄。歐洲的小獵兔犬號就是如此，探測器最后一步摔壞了，沒了信號。美國人的海盜二號也差點出事兒，最后一只腳踩到一塊大石頭，整個機身傾斜了8.2度。前人犯過的錯誤，我們當然是加倍小心，千萬不能再犯。

最后就是祝融號緩緩下降，安全降落到火星表面。這就是祝融號驚心動魄的9分鐘。相關(guān)的測控數(shù)據(jù)要再過18分鐘才能發(fā)到地球上。要知道現(xiàn)在火星離我們有3億公里的距離，即便是光速，跑起來也要這么長時間。所以，地面完全無法操控，過程又復(fù)雜，有一半的探測器沒能成功著陸，火星堪稱是探測器的墳場。

NASA“火星直升機”第六次起飛

我們繼續(xù)關(guān)注火星上的新聞。

在之前的《未來科學》欄目中，我們已經(jīng)提到了NASA的“機智號”火星直升機完成了三次飛行，事實上，在2021年4月19日至5月8日，機智號在二十天時間里順利進行了五次飛行試驗，難度層層加碼，輕松完成既定試驗?zāi)繕?。與此同時，毅力號火星車在一旁記錄下機智號的飛行表演。

讓我們再來回顧一下機智號此前的五次試飛：

第一飛：北京時間2021年4月19日15:34，攀升到3米高度，懸停一會便降落著陸，全程僅持續(xù)39.1秒；

第二飛：北京時間2021年4月22日17:33，攀升到5米高度，輕微傾斜身姿，向東和向后飛行2米，共計在空中飛行了51.9秒，期間還進行了三次轉(zhuǎn)向，總共轉(zhuǎn)動276度；

第三飛：北京時間2021年4月25日16:31，攀升到5米高度，來回飛行了100米，最大速度達到2米/秒，全程持續(xù)約80秒；

第四飛：2021年4月30日22:46，攀升到5米高度，向南飛行133米并折返著陸，本次飛行里程266米，飛行時長117秒，均創(chuàng)造了新紀錄；

第五飛：北京時間2021年5月8日3:26，攀升到5米高度，然后沿著第四飛的路線向南飛行129米，這一次它沒有折返，而是創(chuàng)紀錄地攀升到10米高度，對該區(qū)域進行拍攝后就地著陸，飛行總時長約108秒。

在第六飛中，機智號將一口氣攀升到10米高度，然后向西南飛行約150米，再向南飛行15-20米，同時拍攝感興趣區(qū)域的彩色圖像，完成圖像采集后向東北飛行約50米，最終在“新機場”降落。本次飛行將繼續(xù)擴大機智號性能測試，預(yù)計最高地速4米/秒，飛行時間約140秒。

在這次飛行中，還有一個新的消息，那就是機智號本次飛行著陸的新機場并非來自它之前的空中勘測，而是根據(jù)火星勘測軌道飛行器的高分辨率成像科學設(shè)備（HiRISE）拍攝的圖像進行選擇。通常，地面設(shè)備的成像精度都會大于空中勘測，這也意味著研究人員可以根據(jù)“機智號”火星車和火星地面平臺的數(shù)據(jù)決定新的飛行計劃，而不一定要完全依賴之前的數(shù)據(jù)。

未來可期：土衛(wèi)六上的直升機科考，NASA“蜻蜓”項目獲通過

? ? ? ?2019 年 6 月 27 日，NASA 宣布從“新疆域”項目中挑選了一個名為“蜻蜓號”的新任務(wù)。他們計劃于 2026 年發(fā)射，在 2034 年把蜻蜓號飛行探測器送上泰坦星的上空。

? ? ? ? 和充滿無機物的火星不同，土衛(wèi)六泰坦的世界一直是有機化學的混合，滿是復(fù)雜分子的混合物，例如甲烷，胺類等等。更令人激動的是，土衛(wèi)六還存在雷電，甲烷雨等天氣現(xiàn)象，存在甲烷組成的河流，湖泊和海洋。

蜻蜓號的首席研究員伊麗莎白·特特爾（Elizabeth Turtle）是約翰霍普金斯大學應(yīng)用物理實驗室（APL）的行星科學家。她表示：

我們知道泰坦擁有生命所需的所有成分。那么產(chǎn)生生命的化學反應(yīng)在一個擁有所有成分的環(huán)境中能進行到哪里呢？泰坦一直在進行著化學實驗，時間長達數(shù)億甚至數(shù)十億年。我們想要做的就是去了解那些實驗的結(jié)果。

? ? ? ? 從技術(shù)上講，蜻蜓號將是一個雙四軸飛行器，或者是一架八軸飛行器，擁有兩組四個轉(zhuǎn)子，可以將它送達泰坦上的各種地質(zhì)區(qū)域 。當然，任務(wù)的具體飛行計劃目前只是初步有了個輪廓。蜻蜓號配備了一套用于檢測復(fù)雜有機物和生物印記的科學儀器，這套儀器還將具有測量泰坦表面下地震活動的能力，為探索泰坦隱藏著的液體海洋打開了一個窗口。

? ? ? ? 值得注意的是，與火星直升機只能飛起來拍拍照不同，“蜻蜓”兼具表面探測器和飛行器的功能。其大部分時間仍將停留在土衛(wèi)六表面，開展地表成分取樣檢測、化學分析、地質(zhì)活動監(jiān)測等工作。短時間飛行的目的是變化探測地點，研究不同時間、不同區(qū)域、不同高度的大氣狀況，同時拍攝土衛(wèi)六表面地質(zhì)、環(huán)境等航空影像，并為未來探測器尋找合適的著陸點。

? ? ? ? 此外，根據(jù)已經(jīng)公開的信息，考慮到土衛(wèi)六距離太陽十分遙遠，太陽輻射很可能無法提供足夠的電能，“蜻蜓”計劃所使用的直升機很可能是一個核動力直升機，裝備有核電池。