7 月 30 日美国「毅力号」火星探测器发射成功，此次任务有哪些难点和亮点？
北京时间21.16分，喷气推进实验室成功获取毅力号的信号，毅力号正式走在朝向火星的大道上，前面是希望号，中间是天问一号，发射圆满成功，恭喜NASA，人类纷纷奔向火星，真是历史上的大场面。 长发射视频奉上。 发射前先科普一下，长文预警，全文约有5000字，成功发射以后再补充视频。 先更新两个大家最感兴趣的首个行星小灰机的视频。 毅力号探测器属于NASA的又一次大手笔操作，耗资高达27亿美元。其中包括到达火星花掉24亿美元，还有3亿美元准备在着陆后的2个地球年（1个火星年）的生命周期内继续花掉，美国当初可是只准备花几亿美元，这叫计划跟不上变化。 发射用的火箭是什么？ 美国阿特拉斯5重型运载火箭，图里的帅老人就是生产商UAL的老板托利 布鲁诺Tory Bruno，老牛仔酷酷的。 火箭高60米，发射点在卡纳维拉尔航天中心41号位。火箭的四台 Aerojet Rocketdyne造的固体发动机在起飞的前1分49秒工作，然后抛掉。继续干活的主发动机是。。。 俄罗斯著名的RD-180。它们一起工作产生1043吨的起飞推力，这个和长征五号差不多，长五B起飞推1078吨。整个火箭和载荷加起来531吨，总体比长征五号800吨要轻，加上固体推进，阿特拉斯飞起来比长五要猛，人家35秒就可以突破音速。阿持拉斯自2002年启用以来已经飞行84次，算是比较可靠的火箭了。 阿特拉斯的半人马上面级的RL-10C1发动机负责把火星探测器加速到11公里每秒以摆脱地球引力，探测器初始重要4吨，落到火星表面的就1吨多，部分载荷会在进入火星大气前抛掉，还有一部分在落地前抛掉，后文会说到。 火箭在3分27秒抛整流罩。RD180在工作4分22秒后，火箭载荷将在离基地497公里处，以时速21680公里继续飞行。 推力为10吨的RL-10C1发动机在约11分钟左右时点火，把探测器送入地球低轨停泊轨道，当探测器飞到大西洋和南非上空时，发动机二次点火8分钟，将探测器加速到逃逸速度。 发动机将在飞行53分钟后关机 ，半人马座将在57分32秒时释放出火星探测器。也就是一个小时搞定初始发射，其实挺快的。 毅力号的主要目标是什么? 毅力号很先进，建造耗时约10年，重约1吨出头，有7件科研载荷，一个机械臂，一架机智号火星直升机，25台相机，带了核能源在寒冷的夜晚供电供热，带了首个能记录火星声音的麦克风。NASA称这是有史以来最先进的探测器精尖的设备。毅力号主要任务是搜寻火星上远古生命的迹象，为最后的返回地球作准备（欧空局合作项目）。自70年代的任务开始，这已经是NASA奔向火星的第9次任务了，本次飞行，毅力号将以每秒11公里以上的速度飞离地球奔向火星，预计将在2021年2月18号着陆。 毅力号的主要目标是搜索残留在火星岩石下面的微生物可能的遗存，当然，科学家们还以在地球的实验室里分析火星岩石的样本。NASA官员称，这是史上首次可以称之为太空生物学的生命搜寻之旅，本次飞行项目副经理马特 华来士说:这是我们首次在其它行星上寻找生命迹象，希望能从另一个行星处获取返回到地球的样本。 当然，这次飞行的主要任务还是看着陆地的地理特性，然后寻找过去生命的痕迹，任务不是去直接找现存生命的。 第三个目标是准备好要回地球检测的样本准备下次带回，第四目标当然是为未来的载人火星之旅作准备。假定毅力号任务成功进行，资金和技术问题得以解决，2026年美欧合作和欧洲造火星车会将取得的样本送到美国造的固体火箭上，在2031年前实现返回地球之旅，激动人心啊。 毅力号的大小重量怎么样？ 这台火星车重1025公斤，3米长，2米7宽，2米2高，装在一个可以抵御1300摄氏度高温的防热罩中。火箭上的巡航平台将把毅力号送到5亿公里外的火星，这个提供动力的运载模块将在抵达火星后与探测器分离并焚毁于火星大气层中。所有这些加起来4.1吨载荷都由前文介绍的阿特拉斯 5火箭负责运载。 毅力号的能源哪里来？ 主要靠多任务放射性同位素热电发生器MMRTG 提供，功率110瓦，可以为毅力号两块锂电池充电，提供长达14年的动力，远远超过探测器最初近2个地球年或1个火星年的任务寿命。 它产生的大量热量还可以帮设备保温，其核心是4.8公斤的钚-238。我们的天问设计寿命没这么长，所以没用这个高成本的设备，但玉兔2号用了。世界上就数俄罗斯这项技术最好，美国也不错，从新视野号到好奇好都运用了此项技术，准备登陆泰坦的蜻蜓上也会用上这个同位素热电发生器。 美国国家航空航天局和能源部表示，多任务放射性同位素热电发生器可以产生约110瓦的电力，并可以利用钚衰变释放的热量为探测器的仪器保温，以保持平稳工作。 毅力号之前的火星探测有几次？成功率如何？ 到火星的风险不小，以往的成功率是50%左右，不过NASA已经连续成功五次，他们还是比较自信的。这次去火星是继阿联酋在7月19号发射希望号和中国在23号发射绕、落、巡一气呵成的天问1号后的第三次任务。目前在火星上空飞行的探测器属于美国、欧空局和印度三家，三哥还是混得不错的，抢了先机。所有三个火星探测器达到时间基本都在明年2月，阿联酋的探测器和中国的天问先要绕火星飞行，几个月后，天问1号将放出着陆器向火星表面降落并释放火星车。中国这次如果着陆成功，就是世界上第二个在火星上部署火星车并进行动作的国家，仅次于美国。真的叫弯道超车。 NASA探测火星算是第9次了。 第1、2次：NASA最早的火星之旅是1976年的2次维京VIKING着陆器，这两次飞行没有取得火星生命的有效证据。 第3次是1997年的 火星探路者的Pathfinder计划，部署了一个叫旅居者Sojourner的66公分的小火星车，证明了喷气推进实验室有能力造有运动能力的火星车。 第4，5次就是2004年的精神号spirit和机遇号opportunity火星车。 第6次，就是在前两次的基础上，2011年NASA发射了他们的旗舰级好奇号curiosity火星车。好奇号带了一套更先进的仪器，包括一个取岩石样品的钻头，可以送回一个迷你实验室进行分析。探测器于2012年8月12日在GALE陨石坑着陆，在着陆区发现了数十亿年前干涸的湖底岩层，还发现了生命的基石有机碳，证明远古时代的火星有适合生命存在的条件。好奇号还在慢慢向高5公里的SHARP MOUNT上爬。 第7次，NASA的凤凰PHONEIX着陆器于2008年在火星北极平原着陆，对土地进行钻探以发现地表下的水。 第8次，NASA的洞察号Insight飞行器于2018年到达火星，探测火星的地震情况和其内部结构。 本次是第9次飞行，美国科研人员克服了新冠疫情造成的影响保证了进度，因为发射窗口将在8月中旬后关闭，再要发射就要等到2年多以后了，那时最佳发射时机才会再次出现，美国人也丢不起这面子。 毅力号怎么在火星着陆？这是难点。 毅力号不打算在火星轨道上转了很多圈以后择机着陆，人家简单粗暴，准备在明年2月18日直接进站。 1、毅力号将在到达火星大气层顶部10分钟前，抛弃掉一路把它带向火星的巡航平台。 2、4.5米的防热罩会顶住进入大气层时的高温，几个小型推进器负责调整它的进入轨迹，保证向目标降落。 3、进入大气4分钟后，它将在1万1千米高空放出长达21.5米的超音速降落伞，这个伞号称比好奇号的更皮实，这次放出降落伞不靠定时器，而靠测量与着陆场的相对位置，更加先进。 4、降落伞放出20秒后，底部防热罩脱落，向下的引导雷达和相机开始观测火星表面。 5、火星大气层稀薄，光靠降落伞无法把毅力号的速度降到安全值，在2100米上空，探测器的下降级将放出后背板和降落伞。8个可调式喷气口会进一步将速度 从306公里每小时降到离火星表面20米时的0。 6、在此期间，火星上的飞行计算机开始找平坦地面着陆，这一技术叫位置相对导航，从2012年开始研发，这次首次用于实战。用的技术叫比较技术，就是把下降时的实时图像和之前取得的图像进行比对，如果有危险就调整降落位置。 7、最后使用和好奇好一样的空中起重机技术着陆。6个轮子一旦接触火星表面，火星车就会和上面的下降级断开，下降级会在比较远的地方安全坠毁。 难点: 由于火星太远，降落太快，来不及测控，一切都只能是是全自动完成，天问一号也是这样的套路。毅力号的技术基本和好奇号相同，降落伞进行了增强，各部件又经过了新的测试，NASA官员说，即便如此还是很危险，不能保证成功，但还好之前成功过，所以还相对放心些。 毅力号在哪着陆？那个直升机要做什么？ 毅力号需要精确落地，目标是45公里宽的杰泽罗陨坑，它形成于35亿年到39亿年间，在这个古老的干涸的三角洲地区找到古生命可能性更大一些，但对着陆精度要求更高。 火星车一着地，首要任务就是放出NASA的机智号火星直升机。飞机小车从飞行器腹部放出，开到100米外开飞。在30天内，地面控制人员将对这架小直升机进行编程，执行一系列飞行试验。当然，飞机自主飞行，实时控制是不可能的，飞机上的两台相机传送的图像以毅力号为中转，处理图像，毅力号也可以发指令让飞机拍照。 问题是，火星大气密度只有地球的1%，极大地限制了机智号的飞行性能。怎么办呢？人家由两副正转反碳纤维旋翼提供动力。它们的转速高达2400-2900转每分钟，10倍于地球上的直升机旋翼速度。飞机由 AREOVIRONMENT公司开发，非常小，太阳能驱动，充电1飞1分半钟，飞行距离300米左右，高度不高于5米，小小的直升机才1.8公斤重，旋翼展开直径才1.2米，只能算是原型验证机，之后的型号会更复杂。比如 NASA制订了一个叫蜻蜓的计划准备探索土星的卫星泰坦，飞机在那里飞行更容易些，因为它的大气比火星更为稠密。 直升机由女设计师MI MI AUNG设计，她身边的就是真实大小的直升机，大家感受一下。 毅力号有哪些首次？这是重点。 1、首次在火星表面制氧，为未来的机器和载人登火星创造更好的条件。 2、首次带个麦克风，让大家听听火星的声音，着陆的声音，在火星钻探的声音和在火星表面老司机开车的声音。麦克风位置在下图兰圈那两个地方。 3、我们能首次看到火星车在火星表面着陆全过程高质量视频。 4、首架能飞行的行星直升机。 5、首次带了进行了深度清洁的43个采样管，管子和细雪茄烟差不多，样品14毫米宽，60毫米长，还包括一些不装样品的空管子，科学家可以用于比对整个采样过程是否被污染。最后被采样封闭系统将样品严格封装起来准备未来带回地球。 6、首次带上了准备在火星上用的宇航服材料进行测试。 NASA想看看宇航服材料在火星上长期留存后的可靠性。所有技术都不可能一蹴而就，都是砸钱砸时间慢慢来的。 毅力号的居住环境测试组件里有五项主要材料供测试。 毅力号和好奇好有什么不一样的地方？ 和好奇好比起来，毅力号可以多采50%样品，多了架机智号直升机，铝制轮子更轻，抗损能力更强；整体比好奇好重126公斤。 设备方面，毅力号身上总共安装了五款成像工具；首先是桅杆头上的SuperCam，然后是两个位于桅杆下方灰框中的Mastcam-Z导航摄像头。激光、光谱仪、SuperCam成像仪将用于检查火星的岩石和土壤，以寻找与这颗红色星球的早期有关的有机化合物。两台高分辨率的Mastcam-Z相机能够与多光谱立体成像仪器一起工作，以增强火星车的行驶和岩心采样能力。 毅力号还带了其它一些东西：将近1100万人签名的硅片；一块显示地球和火星在太阳两端的小牌，印着用莫尔斯电码写成的“共同探索”的信息；一块向在这场疫情前线工作的医务工作者致敬的牌子。 好了，现在希望号、天问号、毅力号马上凑齐了，将一起在奔向火星的路上，能见证这一刻也是挺让人激动的，祝他们在那个遥远的红色星球好运！！ 如果这次飞行任务真的发现了远古生命迹象，这对我们的宇宙观是不是会有巨大的冲击？ 不是十分期待，那是相当期待。 参考文献： https://spaceflightnow.com/2020/07/29/ulas-atlas-5-rocket-is-nasas-go-to-launcher-for-nuclear-powered-space-probes/ https://spaceflightnow.com/2020/07/28/atlas-5-av-088-mission-status-center/