看看美帝的自控技术

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转至微博，作者：太空精酿
北京时间 2021 年 2 月 19 日凌晨 4 点 55 分，毅力号火星车成功着陆火星。由于已经有了火星侦察轨道器、大气专家MAVEN等做信号中继服务和对着陆地点进行详细勘察，且NASA已经对火星有了全方面的了解，可以抵达火星后直接着陆。



一、它的着陆过程“死亡七分钟”发生了什么？



火星表面引力仅为地球的38%，稀薄大气仅为大气平均密度的不足1%，着陆可以像在地球一样使用空气阻力和降落伞结合的方式减速，然而最后的速度依然会很大，必须通过主动的动力制动减速，最终降落到火星表面。根据着陆地区高度和地貌的不同，总的着陆过程时长仅为7-8分钟。



火星距离地球非常遥远，最近时也在5500万千米级别，最远可达4亿千米，这意味着从地球到火星的通信往返时间为6-45分钟，还要考虑二者同时在自转、太阳辐射、空间天气等因素的干扰，直接导致整个登陆过程不可能由地球上人工控制和监测完成，必须依靠着陆系统自主完成。因此，火星着陆过程又被描述为“黑色七分钟”，甚至“死亡七分钟”。



毅力号着陆的过程包括1000多个动作，这一切需要在7分钟左右精准完成©️NASA



在抵近火星后，火星车会最后一次与地球通信，确保各个系统正常工作。随后火星车与提供通信和动力模块脱离，期间姿态控制喷气发动机工作，严格控制着陆轨迹角度与方向。如果角度过大就会超过隔热层能忍受的极限，如果过小任务就会像打水漂一般滑入深空。在飞到火星上空100余千米、调整完角度后，被保护的火星车开始冲击进火星大气，“死亡七分钟”正式开始。毅力号和好奇号将会采用基本相同的着陆流程，本文以好奇号的实际数据为例说明着陆过程。



被严密保护中的毅力号冲进火星大气©️NASA



在45千米高度处，火星车隔热层热量达到巅峰，它的温度达到了惊人的2100摄氏度。在各种内部高科技保护和外部隔热层的巨大牺牲下，火星车所处的温度仅为10摄氏度左右。在这个过程中大气也实现了减速效果，速度降到450米/秒左右。在距离火星表面仅11千米时，由80根线连接、50米高、15米直径的巨大降落伞打开，这是人类在其他行星上用过的最大降落伞。



通过降落伞又继续工作75秒后，整个火星车的速度终于降到了仅有90米/秒，这已经是隔热大底和降落伞拼尽全力工作的极限，但依然足以让火星车摔得粉身碎骨。包括好奇号和毅力号在内的各种火星车最终着陆前大概都是这个速度状态，依然还不够慢，需要进一步减速。



NASA三代火星车尺寸对比©️NASA



在最终减速降落阶段，不同火星车的技术路径会走向不同方向。按照规格和复杂程度，人类有过三类火星车：



第一类以验证技术为主，体型仅为十余千克，例如苏联火星2/3号和美国探路者号携带的火星车，功能简单，采用定点着陆器携带和气囊弹跳方案减速降落；



第二类以勇气号和机遇号为代表，体型超过200千克，携带相对复杂的仪器，采用气囊弹跳和火箭反推方案减速降落。我国的天问一号也是此类，总重约240千克，采用着陆器携带降落并在着陆后释放出来；



第三类以好奇号和毅力号为代表，体型已经超过900千克，能力有限的定点着陆器携带和气囊弹跳已经无法完成使命，而必须采用人类行星着陆最高科技，空中吊车技术。



好奇号/毅力号降落过程中空中吊车技术最后一步（动图）©️NASA/JPL



这种方案将火星车着陆系统分成两部分，上部分是一个拥有8枚强力反冲火箭持续工作的空中吊车，在下降过程中它将火星车保护在中心。随后火星车被释放并被三根最长可达7.5米的尼龙绳悬挂着，另外有一根负责信号和控制指令传输的“脐带”电缆传输数据。随着减速过程高度逐渐降低，火星车的结构动力系统和动力系统逐渐展开，底部的传感器通过“脐带”向空中吊车报告实时状态。



在空中吊车的悬停和精细操作下，火星车缓慢靠近地面，感应到稳定接触火星地表后尼龙绳和电缆将会在瞬间被切断。随后空中吊车会用尽所有的能量向尽量远地方飞去，最终坠毁。通过这种方式，巨大的火星车被释放到火星表面。



要知道，这几乎相当于把一辆家用小轿车从迪拜塔上扔下来后，中途启动空中吊车（好奇号的空中吊车启动时运动速度高达90米/秒、距离地表数百米），在短短几十秒内将相对速度减到几乎为0，悬停避障并稳稳释放火星车。而由于火星车上精密仪器的存在，对冲击力的容忍程度非常低，相当于家用轿车的报警系统也不能被触发，难度可想而知。



毅力号空中吊车技术会进行进一步升级（动图）©️NASA



而由于毅力号的预计着陆区域处在远古河流的三角洲区域内，地形地貌复杂，它的空中吊车还需要做进一步改进。需要它高度智能，自主规避风险区域，选择最优路径将火星车放到最理想的地点。如果说好奇号的空中吊车可以将它从迪拜塔安全“扔到”地面上，那么毅力号的空中吊车则可以将它精准“扔到”停车位里。



整体技术非常困难，NASA都直言不讳的说成功率只有40%左右，但最终毅力号终于成功了，可喜可贺！



二、毅力号着陆后意味着什么？



即便继续使用了好奇号的基准平台和成熟的空中吊车技术，但由于各种技术改进和更先进的仪器设备，毅力号并没有变得更便宜，目前的预算已经超过了27亿美元，已经超过了好奇号的25亿美元。由于同样使用放射性同位素热电机/核电池技术，它的寿命也极有可能像好奇号一样不断延期（从2012年工作至今）。毅力号几乎毫无疑问会成为人类历史上最昂贵的一部车。



它的重量大约为1025千克，但可以换回约50吨黄金。



成功着陆，意味着它的主要科研任务都可以开展了，它们都代表着人类行星探测的最高科技。



相比较好奇号专注于分析火星土壤和岩石的物质组成，毅力号则专注于寻找生命的痕迹。它携带的X射线光化学荧光光谱仪，可以更加精细测定土壤和岩石的精细元素构成。所携带的新型地下雷达成像仪则直接可以探测地下十米以内的水冰和盐水含量，并辅助监测有机物的含量。



好奇号降落到火星后的一张自拍（举着相机的机械臂已被PS掉）©NASA



毅力号在好奇号的功能之外，主要带有四个超级绝活：



a. 携带了一套火星制氧实验装置，可以将空气中二氧化碳转化为氧气。对于人类未来的载人登陆火星任务，几乎不可能将返回火箭发射时用的巨大燃料储备送到火星地表，难度过大。而从火星空气和土壤中提取甲烷、液氧、液氢等燃料无疑成为最佳选择。而氧气的制备，无论对于未来人类的生存还是火箭燃料来源，意义不言自明；



机智号火星直升机艺术效果图 ©NASA/JPL



b. 携带了一台“火星直升机”。虽然火星的大气密度和气压连地球的1%都不到，但毅力号将释放一台仅重1公斤的超强直升机机智号，能够实现每次最多3分钟的工作时间。它可以极大扩展毅力号的探测范围，单次可以最多探测1公里左右，这将是人类历史上首次将有翼飞行器送入其他星球。要知道人类第一个火星车旅居者号在7天工作时间内才爬行了100米左右距离，而这个直升机每天的工作距离都是它的十倍之远！

遍布镜头的毅力号 ©NASA/JPL

c. 携带了共计23台照相机，历史之最。除了工程和避险相机外，这23台中还能实现彩色成像、三维成像、微距成像、紫外激光器等一系列复杂功能。因此毅力号的功能也将大大提升:它不再需要停下来一块一块分析土壤和岩石，当发现值得研究的目标时，仅需调动相关相机就可在几米开外详细研究。



计划接应并执行采样返回火箭发射任务的火星探测器艺术图 ©NASA/JPL



d. 在人类首次探测火星已经60年后，毅力号将开启采样返回的新一轮挑战（俄罗斯曾经尝试两次但不幸失败），这个火星车将会收集值得研究的火星土壤或岩石样本，通过欧洲和美国任务的不断接力，由下一个专注于发射火箭返回的探测器将样本送回地球。火星车纵然已经功能强大，但和地球上的专业实验室相比还不可同日而语，如果能够带回地球研究，得到的结论必将让人大吃一惊。



这四个只是主线任务，其他方面还有很多。毅力号成功着陆，将意味着人类对火星的了解更进一步，我们距离真正踏上火星越来越近了。

在人类迈出那一小步之前，从未想过自己可以如此伟大。踏上火星的这一小步，将使人类从此成为一个跨越行星的物种。PS:截止目前着落火星车，八个，前苏联一个落地几秒就损坏，剩余七个都是美帝的，美帝已经把地球远远抛在身后了。

changkongceyi

一吨的车，就能扔那么准…
有那一大堆仪器，就是个移动实验室…
纳萨是种精神，而不应该是恨人有的无奈…

菜哥

过几年，看马斯克怎么上去。

2266998

鸟用这些东西震慑世界，内行才能明白，就是你看见了火星车到处跑，就不自己想折腾了，老老实实缝鞋了，

菜哥

2266998 发表于 2021-2-19 20:02
鸟用这些东西震慑世界，内行才能明白，就是你看见了火星车到处跑，就不自己想折腾了，老老实实缝鞋了， ...

看了油管上的视频，NASA的工程师并不全是白人，甚至可以说，白人数量上都不占优势，好多皮肤看起来像三哥，甚至有些我觉得可能是菲律宾人。

鸟哥，全世界抽水，其他国家人才都贫瘠了。

yuanlihua

2266998 发表于 2021-2-19 20:02
鸟用这些东西震慑世界，内行才能明白，就是你看见了火星车到处跑，就不自己想折腾了，老老实实缝鞋了， ...

杀人诛心，认命吧，弯道超车，连影子都看不到

Hyperion

别说别的
机遇好预计寿命就30天，他娘的跑来了14多年都没坏