【文/观察者网专栏作者 石豪】
北京时间2月19日4时55分 ， 美国“毅力号”火星车成功登陆火星 ， 即将与同型的“好奇号”火星车一起执行火星表面巡视探测任务 。
而在此前的2月10日 ， 我们的“天问一号”火星探测器成功实施近火捕获制动 ， 顺利进入大椭圆火星轨道 ， 完成了我国首次火星探测任务的“绕、着、巡”的第一步——“绕” 。
与天问一号不同 ， 毅力号火星车没有环绕火星飞行 ， 而是直接一头扎进火星大气层 ， 经历“恐怖七分钟”后在火星表面着陆 。 毅力号的任务设计如何特殊 ， “恐怖七分钟”到底有多恐怖？
“戴遮阳帽的飞碟”
毅力号是北京时间2020年7月30日由宇宙神-5运载火箭发射升空的 。 作为目前人类制造的最大火星车 ， 毅力号的总重超过一吨 ， 达到了1025千克 ， 全部展开的大小甚至堪比小型SUV 。
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毅力号火星车测试 | 图片来源：ESA
但搭载毅力号火星车的航天器却令人意外地“简朴” ， 以至于发射总重只有不到4吨 。
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【天问|石豪：先于天问一号登陆火星，毅力号经历了什么】航天器发射入轨状态 | 图片来源：NASA
和常见的深空探测器不同 ， 毅力号（包括同型的好奇号）的发射构型只包含一个圆片状的巡航级 ， 和飞碟状的大气进入、下降、着陆器（EDLS） ， 乍一看仿佛一个“戴遮阳帽的飞碟” 。 说巡航级是“遮阳帽”颇为贴切 ， 因为巡航级的外侧敷设了太阳电池 ， 在巡航阶段提供航天器必须的电能 。
在“飞碟”内部 ， 是处于收纳状态的毅力号火星车 ， 以及用于动力下降和着陆的“空中起重机” 。
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毅力号火星车发射构型分解 | 图片来源：NASA ， 由笔者标注
这样看起来 ， 整个航天器甚至有点简陋 。 当然 ， 说简陋也不能算错 ， 毅力号的巡航级只能提供有限的轨道修正能力 ， 不用像天问一号那样执行大幅度变轨和“刹车”——因为在任务设计中 ， 这个“戴遮阳帽的飞碟”是被火箭直接送入奔火轨道的 ， 也不需要环绕火星飞行 ， 而是直接进入火星大气 。
这种登火方案对火箭有很高的要求 ， 因为火箭不仅要将整个航天器加速到一般地球卫星无法达到速度 ， 更要保证入轨的精准度 。 如果轨道太“浅” ， 航天器会偏离预定着陆区 ， 甚至从大气层中飞出 ， 与火星擦肩而过；如果轨道太“深” ， 航天器可能没有足够的气动减速空间 ， 会直接坠毁在火星表面 。
反过来说 ， 只要火箭工作正常 ， 毅力号的巡航级只需要进行一些轨道修正即可 ， 巡航级也就不必选用大型轨道器 ， 做成“遮阳帽”就足够了 。
“恐怖七分钟”
毅力号和之前的好奇号一样 ， 在着陆火星的过程中要经历“恐怖七分钟” 。
在进入火星大气之前 ， “遮阳帽”巡航级会被提前分离 ， 只留下装着毅力号火星车的EDL“飞碟” ， 向预定着陆场飞去 。
从进入火星大气 ， 开始气动减速的那一刻起 ， 毅力号任务中最紧张的七分钟开始了 。
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毅力号大气进入、下降、着陆过程 | 图片来源：NASA ， 由笔者标注
火星大气并不是科学家的好朋友 ， 因为和地球相比它实在是稀薄 ， 但又绝不能忽略不计 。 我们知道 ， 一个物体在地球上做自由落体 ， 由于空气阻力会随着物体的速度加快而增大 ， 最终会达到一个速度 ， 使重力与物体所受空气阻力平衡 ， 这个速度叫“终端速度” 。 定性地说 ， 在物体质量、形状和迎风面积不变的情况下 ， 终端速度与所在星球的重力加速度和星球大气密度之比决定 ， 重力加速度越大 ， 大气密度越小 ， 终端速度越快 。
对于地球和火星而言 ， 火星的重力加速度是地球的0.38倍 ， 而大气密度不足地球的1% ， 两下一除 ， 对同一个物体 ， 在火星大气层中的终端速度还是比地球快不少 。
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受控进入火星大气 | 图片来源：NASA/JPL-Caltech
因此在受控进入火星大气的时候 ， 必须在超过400米每秒的速度下张开降落伞进一步减速 ， 毅力号也为此配备了高性能的超音速降落伞 。
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超音速降落伞测试 | 图片来源：NASA
当伞花绽放在锈色苍穹时 ， 距离进入大气层已经过去了4分钟 ， 毅力号的“飞碟”要在20秒内抛掉底部的防热盾 ， 让自身携带的下降雷达与相机工作 ， 决定最终着陆点 。
在进入火星大气后的350秒后 ， 毅力号火星车连带“空中起重机”下降级一同与降落伞分离 。 此时下降速度已经稳定在每秒90米 ， 火星车距离地面2千米 ， 但下降级必须立即进行一次横向机动 ， 而非马上点火减速 ， 否则火星车会一头撞上刚刚分离的降落伞 。
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毅力号火星车与下降级“空中起重机”组合体 | 图片来源：NASA
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