文/毛新愿

2018年5月5日，一枚宇宙神V-401型號火箭從美國范登堡空軍基地成功起飛，助力洞察號火星探測器飛向火星。在經(jīng)過205天、飛行4.8億公里后，2018年11月26日，“洞察號”成功降落火星表面!人類距離成為一個能跨越行星生存的物種，再進一步。

人類火星探測簡史

太陽系有個宜居帶的概念：在這個區(qū)間內(nèi)，可能存在穩(wěn)定的液態(tài)水，能夠孕育生命。當早期天文學家們提出這個概念時，他們認為地球母親和她的鄰居金星、火星，都有可能存在生命。

金星與地球看起來個頭和質(zhì)量都非常接近（相差在10%～20%級別），成為我們最大的幻想，中國古代把它叫做啟明、太白，西方還叫它為愛神維納斯，甚至科幻小說中都把它當作人類踏出地球的第一選擇。進入蘇聯(lián)與美國的太空競賽時代，蘇聯(lián)押了國運賭上金星探測，結(jié)局非常悲慘：金星只是個周身400多攝氏度、氣壓是地球92倍、二氧化碳含量96.5%（地球僅為0.04%）的太陽系最大煉獄。

火星看起來是個小不點（僅有地球15%），距離地球更遠，通身由于廣泛存在的氧化鐵而變得熒熒如火，在西方成了瘟疫、戰(zhàn)爭之神，在東方熒惑守心也是最為不祥的所在。事實上火星的情況也不理想：大氣壓只有不到地球1%、沒有磁場保護、平時零下幾十度，但夏天能到20～30度、兩極擁有海量的干冰和水冰，但比金星實在好太多。美國押寶火星，實現(xiàn)了第一次飛掠任務(wù)（1965年的“水手4號”）、第一次環(huán)繞任務(wù)（1971年的“水手9號”）、第一次成功軟著陸（1976年的“海盜1號”）。

▲ 美國宇航局的工作人員在“洞察號”著陸成功后，興奮之情難以言喻

可是隨著這些早期探測器的發(fā)現(xiàn)，人們認識到：火星的心已經(jīng)“涼”了。它的體積質(zhì)量太小，維持不住自己的溫度，在快速丟失大氣、磁場、水分后，變得孤寂不已。而且在探測它的過程中，人類也損失慘重。

火星探測很艱難，但收獲大

火星距離太陽更遠，軌道周期為687天，每隔780天才能和地球會合一次，這意味著人類每隔2年2個月時間才迎來一次探測窗口。

這并不是唯一的阻礙，人類的科技依然很弱，很難掙脫地球引力的束縛，即便用強大的火箭前往火星也需要老實遵循一個叫做霍曼轉(zhuǎn)移的方式：走完一個外切地球軌道、內(nèi)切火星軌道的半個橢圓，時長為6～11個月不等。即便“洞察號”趕上了15～17年一遇的火星大沖（距離地球最近），也要用6個多月時間。如果未來載人登陸火星，甚至需要等待下一次窗口才能返回地球，總時長在3年左右。

▲ 霍曼轉(zhuǎn)移軌道

▲ 洞察號著陸時間表（@haibaraemily譯）

在過去的60年內(nèi)，人類探測火星只有50%左右的成功率，像“洞察號”一樣嘗試最簡單的火箭反推方式但不幸著陸失敗的，有蘇聯(lián)的火星2號、3號、6號，美國的“極地登陸者號”“深空2號”，歐洲的“小獵犬2號”、“斯基亞帕雷利號”，簡直慘不忍睹。

可是，后來成功的探測器卻在火星獲得驚人的回報：“水手9號”發(fā)現(xiàn)了太陽系最高的奧林帕斯山和最長的水手峽谷，“全球勘探者號”發(fā)現(xiàn)了冰川、湖泊和水溝存在的痕跡，“奧德賽號”發(fā)現(xiàn)了廣泛存在的地下水分，“火星快車號”甚至發(fā)現(xiàn)了巨大的地底湖泊，“好奇號”發(fā)現(xiàn)了甲烷類有機物存在的直接證據(jù)。在“洞察號”成功之前，仍在火星上工作的美國探測器已經(jīng)多達6個。

但它們沒有一個能深入火星土壤，感受它的“心”。因而，人類火星研究還差一個核心內(nèi)容：火星的“心”，到底是不是涼的？

“洞察號”，為打開你的“心扉”而來

為補充之前火星探測任務(wù)沒有做過的事情（探測火星的內(nèi)部地質(zhì)情況），“洞察號”主要攜帶了最先進的行星地震儀（火震儀）和熱流探測器，深入火星內(nèi)部。單是熱流探測器就需要通過獨特的打井式結(jié)構(gòu)設(shè)計，在數(shù)月時間內(nèi)像一個小甲蟲一樣不斷往下挖，最終鉆下5米左右。未來時間內(nèi)，它的主要工作將是揭開火星內(nèi)部熱流的神秘面紗，感受它的“心”。火震儀也將感受火星內(nèi)部一絲一毫的震動。

火星“死亡七分鐘”著陸，到底有多難？

火星距離地球最近時也在6000萬公里級別，這已經(jīng)意味著至少400秒的往返通訊延遲，而實際著陸時距離更遠、時間遠大于此，跟月球著陸僅2秒多的通訊延遲可謂天壤之別。這就意味著航天器著陸過程必須全部自主完成。

“洞察號”抵達時沒有動力大幅度調(diào)整軌道，只能立即沖入火星大氣，從開始進入火星大氣邊緣到最終火星著陸，經(jīng)歷7分鐘左右的時間?；鹦谴髿庀”。捎谒俣染薮笠馕吨Σ烈廊荒墚a(chǎn)生很多熱量，且熱量會不斷在航天器表面積累，依然能夠達到驚人的1500多攝氏度。這些因素綜合在一起，導致火星的降落難度甚至超過地球。

困難從來不是航天科學家們畏縮的借口，他們會窮盡一切技術(shù)完成征服火星的任務(wù)，將著陸火星分成了幾個主要步驟（實際上有1000個左右細節(jié)步驟）。

靠近火星：包裹得嚴嚴實實的探測器抵達火星附近約3000公里，其間探測器保持與地球的聯(lián)系，最后一遍確認各系統(tǒng)工作正常。

著陸器分離：著陸部分依然攜帶通訊和輔助裝置，在1000多公里高處二者完全分離。自此之后，“洞察號”“失聯(lián)”，剩下的15分鐘路程必須靠自己走。

調(diào)整姿態(tài)：僅僅7分鐘后，“洞察號”就已經(jīng)飛到火星上空125公里處。它開始向著陸目標進發(fā)，其間姿態(tài)控制噴氣發(fā)動機工作，嚴格控制著陸軌跡角度與方向。它的計算機開始快速計算以目前這個角度入軌時產(chǎn)生的熱量，以免超過隔熱層能忍受的極限。

沖進大氣：調(diào)整完角度后，探測器開始以近5500米/秒的速度沖進火星大氣，七分鐘的“死亡之旅”正式開始！

海水與火焰：在50公里高度處，探測器隔熱層熱量達到巔峰，它的溫度達到了驚人的1500攝氏度，而此時它必須依靠隔熱層復(fù)合材料升華而快速釋放熱量。不過不用擔心，在各種高科技和隔熱層的巨大犧牲下，“洞察號”所處的溫度僅為10度左右，這個溫度下人類還需要穿著毛衣，一點都不熱。

大氣減速：隔熱層與大氣的瘋狂摩擦和犧牲不僅是為了保護這個昂貴的探測器，在這個過程中大氣也實現(xiàn)了減速效果，著陸器速度降到400米/秒左右。

▲ “洞察號”拍攝的第一張火星照片。拍攝這張照片時，“洞察號”還沒有拿掉相機的防塵罩，所以看著臟兮兮的很不清晰

▲ “火星2020”的著陸地點為杰澤羅撞擊坑

降落傘減速：在距離火星表面僅11公里左右時，由幾十根線連接、50米高、10余米直徑的巨大降落傘打開，探測器承受近10倍的重力加速度。

再見隔熱層：在距離火星地面僅10公里時，空氣摩擦對于著陸器已經(jīng)不再是挑戰(zhàn)，光榮完成任務(wù)的隔熱層將會被拋離。它在剛才的幾十秒內(nèi)，被燒得不成樣子，現(xiàn)在終于成為整個探測器第一個抵達火星的部分。雖然它的結(jié)局是直接摔得粉身碎骨，不過這個第一也算是對它辛勤工作的最后獎勵。

雷達工作：拋離了隔熱層僅僅5秒后，暴露出來的雷達們立即開始急速工作。它們需要時刻緊盯目標著陸區(qū)域，認真檢驗當前著陸器所有狀態(tài)，監(jiān)測實際情況與原計劃目標著陸地的匹配程度，以傳遞給計算機正確的信息作出調(diào)整，工作速度慢的話探測器就可能直接墜毀。

再見降落傘：通過降落傘又繼續(xù)工作1分鐘左右后，整個著陸器的速度終于降到了僅有60米/秒。雖然這個速度在地球上跑完百米只需要1.6秒，但它已經(jīng)比剛開始的16倍聲速好了太多。巨大的降落傘在完成任務(wù)后帶著上部保護層脫離，剩下的旅程只能靠著陸器自己完成。

反沖火箭工作：離開降落傘后，著陸器依靠底部強大的反推火箭開始減速，著陸器內(nèi)部裝有較大的燃料罐，減速到逐漸懸停并緩慢下落。在著陸過程中，著陸器底部的各種雷達、激光和傳感器等輔助系統(tǒng)快速工作，需要最終極其仔細檢查地面情況，避免亂石堆、斜坡、溝谷的特殊地貌，否則探測器極有可能由于著陸姿勢不對而前功盡棄。由于巨大的燃料罐和反推火箭（相對著陸器本身體積）、各種傳感系統(tǒng)都裝在著陸器底部，導致這種著陸器的著陸腿必須很長，還要最大限度降低重心，更需要小心。

降落瞬間：發(fā)動機必須立即停止工作，否則推力會導致“洞察號”立即翻轉(zhuǎn)過來，前功盡棄。同時，發(fā)動機底部如果激起過多粉塵，也可能對核心儀器產(chǎn)生致命的影響。

最后，終于落到火星！

由于近乎實時直播的小型通信衛(wèi)星編隊存在，“洞察號”在著陸后幾乎第一時間就發(fā)回了首張火星表面照片。

人類歷史上最貴的車，“火星2020”即將啟程

“洞察號”成功了，但這并不是終點，美國宇航局的下一個火星探測窗口，已經(jīng)排上日程。近期美國宇航局宣布人類歷史上最為復(fù)雜的火星車“火星2020（Mars 2020）”的建造取得重大進展，將會順利趕上2020年7月的發(fā)射窗口。而且最重要的一點是，“火星2020”著眼于未來。它計劃展開一場超時空接力賽：采集火星巖石和土壤樣本，存儲起來，以待后續(xù)火星探測器將它們?nèi)』夭⑺突氐厍颉?/p>

這么牛的火星車到底要在火星的什么地方著陸呢？2018年11月20日，美國宇航局經(jīng)過千挑萬選，最終把“火星2020”的著陸火星的地點定在火星上曾存在河湖三角洲的一座名為杰澤羅（Jezero）撞擊坑。按照傳統(tǒng)，在發(fā)射前美宇航局估計又將舉辦小學生作文大賽，為這部火星車征名，不知道哪位小朋友將得到這個殊榮。