揭秘好奇號火星探測器

2026-04-05 美國

美國宇航局的火星科學實驗室(MSL，已經命名為“好奇”號)即將于本周末(25日)發射升空，并于明年8月份登陸火星表面。這一探測器重達1噸，是有史以來人類送往另一顆行星的最龐大，最復雜的設備。
但是這里有個小秘密：以現在的科技，人類事實上也沒有能力將任何比好奇號更重的物體送往火星表面。而諸如載人登陸火星之類的任務，根據美國宇航局估計至少需要載運40~80噸的配套保障設備前往火星，因此就目前的技術條件來看完全是遙不可及的。
工程師鮑比·布勞恩(Bobby Braun)是美國宇航局前首席技術官，同時也是一篇發表于2005年，闡述這一問題的論文的作者。他說：“我們這一次已經用盡了我們最大的能力。”對于大型項目來說最首要的障礙是火星的稀薄大氣，它比地球大氣要稀薄100倍。在火星地表處的氣壓僅相當于地球上空10萬英尺(約合3萬米)高空感受到的氣壓。
工程師羅伯特·曼寧(Robert Manning)說：“那可是很高的高空，都快到外太空了。在火星上著陸就好像是把著陸地點放到了一個高到荒謬的山上，然后說‘在那里著陸’ ?！?曼寧是1996年火星探路者漫游車項目的首席飛行系統工程師，也是布勞恩那篇論文的合著者。
但這個問題也不是毫無希望。在布勞恩和曼寧的論文發表后的幾年里，工程師們已經想出了下一代火星著陸器的設想。以下幾個是可能在未來能將包括人在內的大型載荷帶到火星表面的方案：
1 傳統技術

傳統技術
在過去的40年中，美國宇航局所執行的每個火星項目使用的技術基本和1976年發射的海盜號著陸器的技術是類似的。海盜號著陸器一共發射了兩個，重量大約相當于好奇號的一半多一點。它在火星高層大氣中減速時被裝在一個堅固的熱防護殼里并進行摩擦減速。在距地面4英里(約合6400米)處時，著陸系統將釋放一個降落傘來進一步減速。距離地面大約5000英尺(約合1500米)時，三臺反沖發動機將啟動，使速度降到幾乎為零并平穩著陸。
自那以后，盡管總體原理相同，但工程師們不斷致力于改進相關技術方案，在1996年的火星探路者項目中首次使用氣囊彈跳著陸方式，而此次好奇號由于體積質量過大無法再次使用氣囊著陸系統，因此工程師們轉而專門設計了全新的懸降著陸系統。布勞恩說：“我們正在逐漸擺脫海盜號留下的遺產，真正的挑戰在于：如果我們今后想做比好奇號更復雜的項目，我們就將需要全新的技術。”
2 降落傘的技術瓶頸

降落傘的技術瓶頸

在火星上降落需要使用降落傘。但是即便是降落傘展開之后著陸器的速度仍然很高。
從太空返回地面的宇航員們可以借助地球濃密的大氣層進行減速。就像阿波羅計劃的返回艙返回地球，或是航天飛機采用的滑翔式降落方式本質上都利用了地球的大氣阻力減速。
宇航局蘭利研究中心工程師尼爾·切特伍德(Neil Cheatwood)說：“火星的大氣狀況就完全不同了。如果說有一顆行星，它的大氣比火星還少，那么這顆行星基本就可以說沒有什么大氣層了。”
【揭秘好奇號火星探測器】一般情況下，在火星上降落需要使用降落傘。但是即便是降落傘展開之后著陸器的速度仍然很高。如果一個人跳出機艙，在地球上，其下落速度可以達到每小時約193公里，當他打開降落傘的一瞬間，其速度就會被減至大約每小時16公里；相比之下，由于極為稀薄的空氣，在火星上跳出機艙的人下落速度可以達到每小時1600公里，當他打開降落傘之后，其速度也只能下降到大約每小時320公里。
曼寧說：“你這胳膊和腿可承受不起這樣的下落速度 ?！痹谶^去，宇航局的工程師們設計了反推火箭或者緩沖氣囊來應付由于這種高速撞擊地面產生的影響。
當進行降落時，好奇號將展開一個直徑達15米的巨型超音速降落傘用以減速，這是迄今在行星探測領域使用過的最大降落傘系統。但是即便如此仍然需要依靠一套額外的復雜懸將系統來確保著陸器的安全。此次工程師們設計了一種類似UFO的飛行平臺，它能使用火箭發動機提供反推作用力實現凌空，它會懸浮在距離地面大約7米的高度上并逐漸平穩地將好奇號放置在火星的地面上。
不幸的是這樣的技術方案是不適用于未來的載人火星考察任務的：如果要想確保安全的減速要求，那么載人降落所使用的降落傘大小將和一座大型體育場相當，那樣的話它打開的時間太久了，事實上在降落傘完全展開之前整個著陸器就已經一頭撞在火星表面上了。
宇航局工程師麥克爾·懷特(Michael Wright)說：“好奇號是一個死胡同，這里所采用的技術對于40噸級別的載人火星任務毫無幫助。我們屆時將不得不后退一步，重新設計出全新的方法 ?！睉烟厥怯詈骄执髿鈱釉偃?，下降和著陸技術方面的首席工程師。
3 充氣氣動減速器(IAD)技術

充氣氣動減速器(IAD)技術
人類的探測器經過長途跋涉，抵達火星時的速度高達每小時2.4萬公里。因此工程師們必須在探測器的底部設法安排一樣扁平的東西，面積越大越好，這樣能極大地幫助在探測器接觸火星高層大氣時降低其速度。
好奇號采用的隔熱罩的外形正是基于這一考慮設計的，它可以幫助探測器減速。它直徑大約為4.57米，但是寬度盡可能越大越好，只要能放進火箭的整流罩就成。因此宇航局使用了充氣氣動減速器(IAD)技術，這種裝置和脆弱的降落傘不同，它是堅硬的材質，因此能在高速狀態下安全展開協助減速，而不會像降落傘那樣被高速撕成碎片。
比如HIAD技術設備(即：高超音速充氣氣動減速器)能以折疊姿態放置于火箭整流罩內發射升空，當跟隨探測器進入火星大氣層時膨脹開來，其直徑在數秒內從大約4.5米變為大約24.3米。這種裝置的制造可能采用了某種特殊的高強度耐高溫材料，使它可以耐受住沖擊火星大氣層時的極端高溫環境。
宇航局噴氣推進實驗室(JPL)工程師伊恩·克拉克(Ian Clark)表示，宇航局有意在明年1月份對這種新技術進行測試。屆時工程師們打算從一個上升至高層大氣中的熱氣球上投下一個直徑約為4.5米的花生形狀設備，它會膨脹為大約6米直徑，從而模擬火星大氣層進入時的場景。
克拉克相信制造一個可膨脹至6米的IAD技術設備將是很順利的。但是也有擔憂，他們認為要讓這種設備一直保持堅固或許將非常困難。即使是最輕微的晃動都可能影響它們在大氣層沖擊時的表現。懷特說：“這個設備越小越好，它體積越大就越不容易穩定，技術也越復雜 ?！?br /> 4 沖擊大氣層

沖擊大氣層
當探測器沖擊火星大氣層時，它將借助一個超音速充氣氣動減速器(SIAD)進行減速。
宇航局工程師曼寧說：“SIAD就像是一個降落傘，但是它可以在更高速度下更快的打開，并可以有更好的表現。它也可以做的尺寸更大一些。我們可以設想一個直徑100英尺(約合30.5米)或更大型的這類裝置用于未來的計劃中 ?！?br /> 正是由于它的高強度性能，它能在探測器以相當于火星大氣中4~5倍音速下降時展開，而這是降落傘無法承受的。SIAD設備可以幫助降低著陸器的速度。和降落傘的另一個不同點在于，SIAD裝置不是拖在探測器的后部，而是在其前方展開，就像是打了一把大傘。
工程師們估計載人火星登陸任務將需要一個直徑在23~約50米直徑的SIAD設備。但是一個需要考慮的重要問題便是在此過程中它積聚的巨大熱量。不過好在目前最先進的隔熱技術或許可以解決這一難題。
更大的難題在于：如何制造一種如此巨大的SIAD系統，同時能確保它還能在極短的時間內展開？正如宇航局工程師尼爾·切特伍德所說：“從某種角度來說，這樣巨大的體型讓它的快速展開困難重重 ?！?br /> 他說如果讓他制造一個直徑達到15米或15米以上的SIAD系統，他會覺得心里不舒服，甚至他很懷疑直徑9米以上直徑的SIAD系統是否能有效發揮其減速作用。他說：“如果你的設備質量很大，比方說達到了好奇號探測器重量的2~3倍，那樣的話你要再想借助SIAD系統實現減速就有點不太現實。”
5 超音速反沖火箭

超音速反沖火箭
將大質量探測器送上火星表面的最后一個技術挑戰在于超音速反沖火箭。簡單來說這就是一個火箭反推系統，它能在探測器著陸前對著前進方向點火反推，從而進一步降低探測器的下降速度，確保探測器的安全。過去的大多數火星著陸計劃中都使用了火箭反推技術，但是從未嘗試過在超音速條件下使用這一技術。
如果想將一臺重量超過好奇號的設備送上火星表面，工程師們就將不得不面對反推火箭必須在探測器仍然處在超音速情況下點火的難題，這將是一項巨大的技術挑戰。宇航局工程時邁克爾·懷特說：“在那樣的速度條件下進行反推發動機點火風險很大，因為這會產生很多復雜的沖擊波，它們會向后倒流進發動機 ?！?br /> 目前美國宇航局在超音速反推發動機點火方面沒有任何經驗可供借鑒，也只有非常少的相關數據。在這樣的情況下想要預測這種沖擊波回流將會對探測器產生何種影響非常困難。在過去的兩年中，宇航局的工程師們一直在地球上的風洞設施中對這一情形進行反復的測試工作。但是現在，很多相關的研究測試工作，甚至連同整個布什政府提出的載人登陸月球和火星的宏偉計劃都被整個兒砍掉了。
這樣做的后果將是十分嚴重的，因為根據美國宇航局的技術評估，在未來的載人登陸火星任務中，這種超音速反推技術將是必須掌握的。沒有這種技術，載人登陸火星將是不可能實現的。
不過這樣悲觀的觀點或許也有商榷的余地，正如宇航局工程師尼爾所指出的那樣，或許我們還是有辦法借助SIAD減速設備和降落傘的組合方式將著陸器的速度降低至亞音速，然后我們就可以采用傳統的亞音速反推火箭點火方式實現最終安全的著陸。
6 如何載人登陸火星？

如何載人登陸火星？

根據美國宇航局的估計，即便是確保宇航員在火星表面生存一天，需要送到火星的相關技術裝備就重達40~80噸。
對于這個問題，美國宇航局工程師羅伯特·曼寧簡單介紹說：“首先，你需要帶上必要的給養：水，食物，空氣和電池。”
根據美國宇航局的估計，即便是確保宇航員在火星表面生存一天，需要送到火星的相關技術裝備就重達40~80噸。而目前美國宇航局的能力僅能將一噸重的設備送到火星表面，但即使是僅重1噸的運載量也已經是非常勉強了。
工程師鮑比·布勞恩說：“我們現在沒辦法將80噸的設備送到火星 ?！彼J為宇航局現在就該開始著手進行低限度的投資，致力于開發能在未來使美國宇航局獲得這種能力的相關技術。
盡管目前對于究竟何時執行載人登陸火星的任務還沒有正式的時間表，不過一些美國宇航局的計劃表顯示該局初步打算在2032年前后實現載人登陸火星。但在此之前，美國還將首先執行其他一些大規?；鹦翘綔y項目，如火星表面的土壤巖石樣本的采樣取回項目。
開發這樣一系列先進技術需要大量的時間，因此美國宇航局必須現在就開始行動，以確保任務目標的實現。目前最重要的任務就是必須盡快確認究竟哪些技術對于未來登陸火星是最為關鍵的。
宇航局工程師邁克爾·懷特說：“對于被提出的每一項技術，我們都應當進行仔細評估，做出可行或不可行的評估建議。如果我們認為某項技術是可行的，那我們就暫且放在一邊，而如果某項技術被認為是不可行的，那么我們就必須著手設計全新的替代方案 ?！?br />
新浪科技(晨風)

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