美国好奇号火星探测器揭秘

美国好奇号火星探测器揭秘

北京时间11月25日消息，美国宇航局的火星科学实验室(MSL，已经命名为“好奇”号)即将于本周末(25日)发射升空，并于明年8月份登陆火星表面。这一探测器重达1吨，是有史以来人类送往另一颗行星的最庞大，最复杂的设备。

但是这里有个小秘密：以现在的科技，人类事实上也没有能力将任何比好奇号更重的物体送往火星表面。而诸如载人登陆火星之类的任务，根据美国宇航局估计至少需要载运40~80吨的配套保障设备前往火星，因此就目前的技术条件来看完全是遥不可及的。

工程师鲍比·布劳恩(Bobby Braun)是美国宇航局前首席技术官，同时也是一篇发表于2005年，阐述这一问题的论文的作者。他说：“我们这一次已经用尽了我们最大的能力。”对于大型项目来说最首要的障碍是火星的稀薄大气，它比地球大气要稀薄100倍。在火星地表处的气压仅相当于地球上空10万英尺(约合3万米)高空感受到的气压。

工程师罗伯特·曼宁(Robert Manning)说：“那可是很高的高空，都快到外太空了。在火星上着陆就好像是把着陆地点放到了一个高到荒谬的山上，然后说…在那里着陆‟。” 曼宁是1996年火星探路者漫游车项目的首席飞行系统工程师，也是布劳恩那篇论文的合著者。

但这个问题也不是毫无希望。在布劳恩和曼宁的论文发表后的几年里，工程师们已经想出了下一代火星着陆器的设想。以下几个是可能在未来能将包括人在内的大型载荷带到火星表面的方案：

1 传统技术

传统技术

在过去的40年中，美国宇航局所执行的每个火星项目使用的技术基本和1976年发射的海盗号着陆器的技术是类似的。海盗号着陆器一共发射了两个，重量大约相当于好奇号的一半多一点。它在火星高层大气中减速时被装在一个坚固的热防护壳里并进行摩擦减速。在距地面4英里(约合6400米)处时，着陆系统将释放一个降落伞来进一步减速。距离地面大约5000英尺(约合1500米)时，三台反冲发动机将启动，使速度降到几乎为零并平稳着陆。

自那以后，尽管总体原理相同，但工程师们不断致力于改进相关技术方案，在1996年的火星探路者项目中首次使用气囊弹跳着陆方式，而此次好奇号由于体积质量过大无法再次使用气囊着陆系统，因此工程师们转而专门设计了全新的悬降着陆系统。布劳恩说：“我们正在逐渐摆脱海盗号留下的遗产，真正的挑战在于：如果我们今后想做比好奇号更复杂的项目，我们就将需要全新的技术。”

2 降落伞的技术瓶颈

降落伞的技术瓶颈

在火星上降落需要使用降落伞。但是即便是降落伞展开之后着陆器的速度仍然很高。

从太空返回地面的宇航员们可以借助地球浓密的大气层进行减速。就像阿波罗计划的返回舱返回地球，或是航天飞机采用的滑翔式降落方式本质上都利用了地球的大气阻力减速。宇航局兰利研究中心工程师尼尔·切特伍德(Neil Cheatwood)说：“火星的大气状况就完全不同了。如果说有一颗行星，它的大气比火星还少，那么这颗行星基本就可以说没有什么大气层了。”

一般情况下，在火星上降落需要使用降落伞。但是即便是降落伞展开之后着陆器的速度仍然很高。如果一个人跳出机舱，在地球上，其下落速度可以达到每小时约193公里，当他打开降落伞的一瞬间，其速度就会被减至大约每小时16公里；相比之下，由于极为稀薄的空气，在火星上跳出机舱的人下落速度可以达到每小时1600公里，当他打开降落伞之后，其速度也只能下降到大约每小时320公里。

曼宁说：“你这胳膊和腿可承受不起这样的下落速度。”在过去，宇航局的工程师们设计了反推火箭或者缓冲气囊来应付由于这种高速撞击地面产生的影响。

当进行降落时，好奇号将展开一个直径达15米的巨型超音速降落伞用以减速，这是迄今在行星探测领域使用过的最大降落伞系统。但是即便如此仍然需要依靠一套额外的复杂悬将系统来确保着陆器的安全。此次工程师们设计了一种类似UFO的飞行平台，它能使用火箭发动机提供反推作用力实现凌空，它会悬浮在距离地面大约7米的高度上并逐渐平稳地将好奇号放置在火星的地面上。

不幸的是这样的技术方案是不适用于未来的载人火星考察任务的：如果要想确保安全的减速要求，那么载人降落所使用的降落伞大小将和一座大型体育场相当，那样的话它打开的时间太久了，事实上在降落伞完全展开之前整个着陆器就已经一头撞在火星表面上了。

宇航局工程师麦克尔·怀特(Michael Wright)说：“好奇号是一个死胡同，这里所采用的技术对于40吨级别的载人火星任务毫无帮助。我们届时将不得不后退一步，重新设计出全新的方法。”怀特是宇航局大气层再入，下降和着陆技术方面的首席工程师。

3 充气气动减速器(IAD)技术

充气气动减速器(IAD)技术

人类的探测器经过长途跋涉，抵达火星时的速度高达每小时2.4万公里。因此工程师们必须在探测器的底部设法安排一样扁平的东西，面积越大越好，这样能极大地帮助在探测器接触火星高层大气时降低其速度。

好奇号采用的隔热罩的外形正是基于这一考虑设计的，它可以帮助探测器减速。它直径大约为4.57米，但是宽度尽可能越大越好，只要能放进火箭的整流罩就成。因此宇航局使用了充气气动减速器(IAD)技术，这种装置和脆弱的降落伞不同，它是坚硬的材质，因此能在高速状态下安全展开协助减速，而不会像降落伞那样被高速撕成碎片。

比如HIAD技术设备(即：高超音速充气气动减速器)能以折叠姿态放置于火箭整流罩内发射升空，当跟随探测器进入火星大气层时膨胀开来，其直径在数秒内从大约4.5米变为大约24.3米。这种装置的制造可能采用了某种特殊的高强度耐高温材料，使它可以耐受住冲击火星大气层时的极端高温环境。

宇航局喷气推进实验室(JPL)工程师伊恩·克拉克(Ian Clark)表示，宇航局有意在明年1月份对这种新技术进行测试。届时工程师们打算从一个上升至高层大气中的热气球上投下一个直径约为4.5米的花生形状设备，它会膨胀为大约6米直径，从而模拟火星大气层进入时的场景。

克拉克相信制造一个可膨胀至6米的IAD技术设备将是很顺利的。但是也有担忧，他们认为要让这种设备一直保持坚固或许将非常困难。即使是最轻微的晃动都可能影响它们在大气层冲击时的表现。怀特说：“这个设备越小越好，它体积越大就越不容易稳定，技术也越复杂。”

4 冲击大气层