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#新作者扶植计划 第二期# 近年来，无人机已经变得如此普及和可靠，它们甚至可以用作飞行信使；而由无线电控制的飞机进行常规空中出租车服务的日子已经不远了。然而，尽管近年来机器人飞行取得了重大进展，但将探测器降落在火星表面仍然是一项危险而非常复杂的任务。火星太空任务的历史上不乏失败案例：既包括进入火星轨道的尝试，也包括在火星表面着陆的尝试。 到目前为止，已经有45次火星任务。第一次是苏联在1960年的火星1M号；最后一个是“洞察号”，美国宇航局于2018年11月26日在广阔的“极乐空间”着陆。在这45次任务中，有19次成功；失败的有23个。 为什么登陆火星如此困难？由于各种原因。首先，你需要到达火星，这就不是一件简单的事情。在最有利的情况下，每两年左右，地球和这颗红色星球之间的距离缩短到“只有”5500万公里。火星和地球在太空中不是静止的，而是围绕太阳公转的，而且速度不同。这意味着，要到达火星，你必须遵循一个椭圆形轨道，它考虑从地球到火星轨道的转移：一个巨大的椭圆，技术上被称为赫曼转移轨道。 在这种太空追逐中，宇宙飞船逐渐缩短了与火星的距离，同时宇宙飞船和火星都继续围绕太阳公转。这条轨迹有点像美式橄榄球四分卫的投球。四分卫没有将球抛向队友此时所在的位置，而是将球抛向他将进一步向前的位置，此时球仍在空中，运动员将越过球的轨迹。   苏联在1962年10月24日发射的航天器。它本应飞过火星，并向地球发送火星的图像。但是由于运载火箭的问题，当它还在环绕地球的轨道上时就被摧毁了。 由于轨道运动的复杂性，到达火星之前的距离会增加一倍。它不是大约5500万公里，而是超过4.5亿公里。如果你选择使用地球的引力辅助来到达火星，它的速度还会增加更多，这是以飞船运行的其他轨道为代价的，这样就能保证以更少的燃料以足够的速度到达火星。 根据所选择的飞行策略，到达火星所需的时间可能在6个月到1年之间，甚至更长。在这漫长的旅程中，每件事都可能出错，从出发开始，这是企业的第一个关键时刻。 几次火星任务在发射后立即失败。例如，1962年，苏联的火星2MV-4号宇宙飞船在仍处于近地轨道时解体，原因是火箭的上一级失灵。类似的命运发生在1971年的另一个苏联探测器，火星1971C，由于定时器设置的人为错误，未能打开上一级的引擎脱离地球轨道。40年后的2011年，俄罗斯探测器“火卫一-土壤号”的情况并没有好转。它的雄心勃勃的任务是从火星卫星“火卫一”带回200克的土壤。它从未成功地脱离近地轨道，没有前往火星，而是逐渐失去高度，最终在重返大气层时被摧毁。   一个模型在2011年的巴黎航展上展出了俄罗斯探测器“福布斯- grunt”。这艘宇宙飞船于2011年11月8日从拜科努尔的宇宙发射场发射，原定于10个月后抵达火星，但由于引擎点火问题未能脱离地球轨道。 当发射成功后，下一个关键时刻就是与火星的相遇。在飞行过程中有必要进行航向修正操作，其程度取决于复杂的计算，其基础是确定航天器和火星在给定时刻的确切位置。如果这不够精确，例如由于探测器发送的数据不完整或不正确，那么与火星的相遇将以糟糕的结局告终。飞船要么偏离目标，在太空中迷失方向，要么进入火星大气层，撞向地面。 类似的问题发生在NASA的火星气候轨道器上，它在1999年9月未能进入火星轨道。这个错误是由一系列错误的航向修正引起的。但也可能会因为许多其他原因而出错。1999年10月11日，日本的一艘宇宙飞船“诺佐米号”进入了火星轨道，但由于在旅程的早期阶段，一个有缺陷的阀门导致了大量燃料的损失，最终速度没有达到预定的速度。从那时起，诺佐米号就是一颗位于日心轨道的小型人造行星。   以火星为背景的日本探测器诺佐米号的艺术表现。不幸的是，现实与期望并不相符。由于燃料泄漏，诺佐米未能进入火星轨道。它经过了这颗行星，迷失在太空中，被束缚在一个以太阳为中心的轨道上，持续了大约2年 如果发射和火星之旅能够顺利进行，那么最终将迎来最关键的时刻，至少对于携带着陆器或漫游者的任务来说是如此：登陆火星表面。要面对的第一个大问题是无线电信号的延迟。由于从地球向火星发送命令平均需要12.5分钟，而接收返回信号需要同样多的时间，因此从地球实时控制探测器降落到火星表面实际上是不可能的。因此，整个过程必须是自动化的。这意味着，如果没有能够管理复杂操作序列的机载计算机的帮助，就不可能进行受控下降，而这些操作必须彼此完全匹配。 由于完全不可能从地球进行干预，从进入火星大气层到着陆的这段时间恰好被称为“恐怖六分钟”(或者“恐怖七分钟”，取决于要完成的自动程序的复杂程度)。事实上，从进入大气层到着陆，整个过程只需要六七分钟。但是对于那些在地球上等待来自火星的信号的人来说，有无穷无尽的分分秒秒——数年的设计、数亿的投资以及整个事业的成败都取决于分分秒秒。 第一个危险的操作恰恰是进入大气层，这必须以正确的倾角进行，大约是12度。此时，前挡热板成为主角。该设备有两个基本功能： 消耗着陆器的大部分动能，由于大气摩擦，这些动能在两分钟内从20,000公里/小时以上的速度降到1,600公里/小时左右； 保护探头的精密仪器和电子元件不受摩擦产生的热量的影响，摩擦产生的热量很容易超过1000°C。 随后，在离地面约9-10公里处，进一步制动下降的任务转移到一个大降落伞，它可以由一个辅助降落伞辅助。但是火星的大气比地球稀薄得多(它在地面上的密度很低，相当于35公里高度的地球大气的密度)。因此，降落伞的效力是有限的。 由于这个原因，探测器必须配备逆行火箭，从距离地表2公里的地方开始工作。当它们被打开时，一长串的自动操作一定已经完美地进行了： 姿态修正，以正确的角度进入大气层； 打开降落伞； 前挡热板的释放； 释放后护罩和降落伞； 测高计的一种操作方法，用来测量从地面到地面的距离变化。   NASA的工程师在1995年6月测试了将在火星探路者任务中使用的安全气囊 从逆行火箭的点火开始发生什么取决于负载的质量和设计选择。在探路者号(1996)、勇气号和机遇号(2004)任务中，机载计算机触发了一个程序，在几分钟内将一系列安全气囊充气，这些气囊形成了一个保护罩，隐藏在一个绝缘外壳内。在距地面约20米的高度，当逆行火箭停止下降直到达到几乎为零的速度时，着陆器和漫游者以自由落体的方式行进了最后几米。在第一次接触后发生的一系列反弹中，安全气囊吸收了大部分与地面碰撞产生的动能。请注意，虽然火星上的重力只有地球的3/8，但物体的惯性质量与地球和宇宙其他地方相同。 与此同时，其他的自动控制装置已经把后隔热罩、降落伞和后火箭都拉开了足够的距离，以确保各种各样的部件掉落到地面时不会以任何方式干扰安全气囊的弹跳。进一步的自动程序最终导致了安全气囊的紧缩，保护壳的打开，以及控制程序的执行，包括发送令人垂涎的无线电信号，表明着陆已经成功。   2012年，“好奇号”火星车在进入大气层和软着陆火星之间的“恐怖七分钟”期间，必须执行一系列复杂的自动操作 以“好奇号”漫游车为例，它的质量约为一吨，以自由落体的方式行进最后几米将是致命的。因此，最后阶段的下降被一种装有反火箭的天空起重机减慢了速度，它将“好奇号”轻轻地放在火星表面，在释放“好奇号”之后，它就离开了。 洞察力的情况仍然不同。该任务的设计者将反发射的火箭整合到着陆器的主体中，着陆器通过自己的方式降落在火星上，轻轻地落在地面上，没有任何损伤。   “洞察号”在火星上下降最后几米的艺术表现，被安装在着陆器外壳上的反发射火箭所阻止 考虑到在火星表面自动着陆是多么困难，令人惊讶的是，这种任务所需的技术已经在40年前使用了，当时计算机的处理能力远低于此。今天的。那些五十岁以上的人很可能会记得1976年夏天维京人1号和维京人2号在火星上的两次登陆所产生的兴奋。两名NASA着陆器采用与洞察号十分相似的下降程序，分别于1976年7月20日和9月3日轻轻着陆，这是上世纪最杰出的一项科学壮举。 但是，也许知道这两个维京人并不是成功降落在红色星球上的第一批人类文物，这也许更令人惊讶。第一个在火星上进行软着陆的着陆器是火星3号，这是苏联的一次探测，于1971年12月2日，即维京人在火星南半球的托勒密火山口西北部着陆五年之前。由于未知的原因，火星3着陆后仅传输了15秒。但是，它仍然是第一个成功克服自主降落对火星的折磨的着陆器。他的故事值得完整讲述，但这里不再展开。   相信中国的火星计划会取得举世瞩目的成就！ |
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