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火星着陆中美技术对比 精选

已有 8250 次阅读 2021-5-26 11:55 |个人分类:物理|系统分类:海外观察

据美国历史记载,1969年7月美国阿波罗11号一举成功实现载人登陆月球并成功返回,1973年美国阿波罗进行了最后一次载人登月。之后月球表面几乎是40年的沉寂 -- 直到2013年嫦娥3号成功着陆月球表面并释放玉兔月球车。美国似乎突然失去了登月的愿望(包括无人登月),把目光投向了更为遥远的红色行星--火星。1975年8月9月,美国维京一号、二号相继着陆器成功着陆火星。1997年,美国的探索者号(Pathfinder)成功着陆火星并释放旅居者火星车;2004年,美国勇气号(Spirit)与机会号(Oppurtunity)火星车成功着陆火星;2012年,美国好奇号火星车着陆成功。2021年2月18日,美国毅力号火星车再次成功着陆,重新把世界的目光带到了那个遥远的星球。直到2021年5月15日,火星才迎来了第一个说非美国英语的智能装置,那就是中国的天问1号着陆器与它携带的祝融号火星车。


其他国家没有努力尝试吗?当然不是。1971年苏联发射了火星-3着陆器与 Prop-M 火星车,结果着陆器只发回几行灰色背景的图像就失联了。随后强大的苏联进行了 火星-6,火星-7,Phobos-1, Phobos-2 等火星着陆任务, 均以失败告终。 俄罗斯前仆后继,又进行了 火星-96 火星着陆任务,结果再次失败。2016年,欧空局的火星着陆器也在下降时撞毁,只拿到了脱离火星轨道开始着陆前5分钟的数据。这些空间技术强国的火星任务不断失败不断证明着陆火星的难度。


那么中美的空间技术对比如何呢?美国的火星计划都是由 JPL (射流推进实验室)研究、开发、操控。我们先回顾一下 JPL 与美国空间计划的历史。


1943年夏天,美军通过航拍在(德占)法国北部海岸发现了一些疑似火箭发射架的装置,判断纳粹德国已经发展长程火箭(当时射程一百公里就算长程了),于是找加州理工研究对策。加州理工的 Theodore von Kármán  教授、助理教授钱学森与 Frank Malina (按文件署名顺序)递交了一份报告。报告称,以当时美国的技术无法制造射程超过100英里的火箭,要与纳粹德国抗衡,需要设立一个新的研究机构,the Jet Propulsion Laboratory (JPL),进行新型火箭的研发。JPL 的名称就这样首次出现于书面文件中。1944年初,美国陆军拨款三百万美金组建 JPL,这在当时是一笔巨款。JPL 当时一共四个部门,弹道、材料、推进、结构。钱学森是推进部的主任,同时与另一人共同负责弹道部门。当德国向英国倾泻 V2导弹时,钱学森团队不仅进行理论研究,还紧锣密鼓地研发了美国的第一枚固体燃料火箭,射程18公里的 Private-A。须知,此时美国的科技相比于德国还是相当落后的。钱学森到麻省理工学院讲课,大部分人听不懂。德国投降后,美国空军给钱学森一个校官身份,去欧洲讯问俘虏的德国火箭科学工程人员。钱学森曾经讯问过德国 V2 导弹的理论设计师 Rudolph Hermann。后者回忆到,德国对钱学森1938年的一篇理论论文《超音速流体中锥形物体的压强分布》(原题:"Supersonic Flow Over an Inclined Body of Revolution“)进行了实验验证,发现两者完全吻合,当时世界上只有德国有这种超音速的风洞实验设备。战后,美国得以将德国的大量火箭科技人员与设备收入囊中,运回美国。1949年,钱学森提出了后来被人称为 Tsien Spaceplane 空天飞机的初步设想,这成为日后美国航天飞机的基础。


可见,美国的空间技术相当大部分来自中国人 -- 不光是钱学森、还有其他在NASA、JPL工作的中国人科学家。而中国早已被美国政府排斥在空间技术合作的大门之外。美国立法规定 NASA 不得与中国或任何中国人的公司进行任何合作,这些法规称统称为 NCFR (NASA China Funding Restrictions)。美国华人科学家稍有不慎,就可能触犯了美国的相关刑律,遭受牢狱之灾。


言归正传。火星着陆与地球着落、月球着落相比难度是多重的。月球没有空气,这就不需要考虑着落时与空气摩擦产生的高温,且月球引力只有地球的1/6,制动相对容易。地球虽然引力大,但空气相当浓密,可以使下降的物体速度大大降低。神舟飞船返回舱回来时打开降落伞后是徐徐下降。这也是为什么马斯克的SpaceX 能够以较少燃料实现火箭回收的原因。SpaceX 火箭回收其基本原理我在之前的一篇科普中讲过。火箭燃料基本耗尽后就是一个空心大圆筒,比重远远小于水,把它横过来落下,在地球空气阻力下,速度会降到很低,最后直过来,用火箭反推一下,就能着陆了,所以并非难事。火星则不同,它引力是月球的两倍多,大气压力是地球的1%。火星这个大气密度足以使高速进入的飞行器摩擦产生高温,但又不足以对飞行器产生足够的减速。火星着陆器即使在展开降落伞之后,其末端速度(terminal velocity)仍然高达每小时 1300 公里 -- 每秒 360米,是中国高铁速度的 4倍多。要让这么快的飞行器平稳降落在火星表面而不撞坏设备的难度可想而知。


美国是怎么做到的呢?其最初的火星车着陆是靠一个“安全气囊”。顾名思义,其方法是把设备裹在一个大大的气囊里面,再弄些缓冲装置。直到2004年的勇气号、机会号都是采用这个“安全气囊”模式。这一堆气囊在火星表面像个皮球一样一阵阵弹跳、里面裹着精密的仪器设备,最后在哪停下,里面设备最后能不能正常展开,很大程度就是碰运气了。这是技术不够的 poorman 方法。从2012年的好奇号开始,美国使用了一种新的方法,称之为天吊 (Sky Crane),把火星车用绳子吊在着陆器下面,着陆器向下方喷射抵消火星引力,然后用绳子把火星车放下,确保火星车着地后,绳子断开,着陆器飞开(免得砸到已经落地的火星车)。2021年 美国毅力号着陆也是用的这个方法。


显然,这个绳坠法与安全气囊法相比虽然有很大的改善,可以更为准确地选择落点,但还是存在很多弊端。着陆器反推火焰不能垂直向下,否则不但会烧到下面的火星车,还会造成推力丢失--推力成内力,因此火箭只能向下斜着喷射,显然这降低了效率、浪费了燃料。再者,着陆器放下火星车之后,必须飞开找个地方自我坠毁,一堆设备成了废铁。2018年美国发射了 Insight 火星着陆器(无火星车),它不是使用安全气囊而是自主火箭反推降落,但是着陆器最终着地速度还是有 2.24米每秒,相当于人慢跑的速度,这个速度着火还是有相当的冲击力的。毅力号火星车的降落方式说明 NASA 还不能精准控制降落速度,就像直升机不敢降落,只能用绳子把乘客放下一样。


天问1号着陆器携带祝融着陆显然是一种更加先进的模式。据报道,天问一号着陆器着地速度为零。着陆器带着火星车平稳无冲击地落下,火星车走下着陆器巡视火星,两者互相有个伴,可以分工合作。在此基础上,火星车以后可以再次爬上着陆器,着陆器起飞带着火星车换个地方巡视 。参考嫦娥五从月表取样返回说明这些技术中国都有了。


单从火星车着陆方式,对比中美目前采用的技术手段,中国优势明显。依靠独立的研发,中国的某些关键技术明显领先美国并不奇怪 -- 华为自动驾驶一出手就无情地碾压特斯拉。那些称中国不过重复美国1975年维京计划的人可谓不知天高地厚。希望中美今后你追我赶,在科技竞赛中更上一层楼。





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