论文部分内容阅读
花生带来好运？
2012年8月6日13时31分，“好奇”号火星车成功登陆火星。几分钟后，它发出了一条“卖萌”微博：“曾经，人类迈出伟大的一小步；现在，我迈出了6个轮子。”这标志着人类迄今在其他星球着陆的最精密的移动科学实验室，开始了为期两年的火星探索之旅。
人们在直播的画面中看到的不是“好奇”号接近火星时的情景，而是一屋子穿着同样的蓝色衬衫的控制人员在紧张有序地忙碌着；奇怪的是，他们一边工作一边还不停地吃着花生。这是为什么？原来，在48年前的1964年7月31日，美国的“游骑兵7”号探测器开始了奔向月球的最后一段航程，该探测器的任务挺简单——在月球表面硬着陆；在着陆过程中拍摄几千张照片并发回地球。尽管如此，在此之前的6个“游骑兵”探测器的着陆都失败了，负责此项任务的工程师们都知道，他们快没机会了。但这一次，“游骑兵7”号终于改变了此前接连不断的霉运。由于它成功着陆时，碰巧有控制人员在吃花生，于是人们便猜测，吃花生肯定是带来好运的魔咒。从那以后，就没人敢不在乎这条规矩了。
这真是一个有趣的现象，搞最尖端技术的科学家居然也如此“迷信”。其实，相信此类“迷信”的岂止是美国人。人类第一个进入太空的苏联宇航员加加林，上天的前一天晚上看了一场电影；第二天在前往发射场的途中，又突然要上厕所；最终，加加林成功了。从此，所有的苏联、俄罗斯宇航员上天前，无一不看电影、上厕所。
恐怖7分钟
然而，让“好奇”号在火星表面安全着陆需要的可不只是运气和花生。当装有“好奇”号火星车的密封舱撞入火星大气层时，时速高达20920千米；在距火星表面11.3千米处时，稀薄的火星大气已把飞行器的时速降至1450千米；飞行器在扔掉隔热罩的同时打开了巨大的降落伞继续减速。在距火星表面约1.6千米处，“天空起重机”与外壳脱离，并启动反冲发动机，悬停在大约20米的高度，随后用尼龙绳索把“好奇”号吊放到火星表面；当“好奇”号的6个轮子轻柔地接触到火星的红色土壤时，尼龙绳自动切断，“天空起重机”飞离“好奇”号一段足够的距离后自动坠毁。由于从撞入火星大气层到安全着陆的7分钟内，“好奇”号的时速由超过两万千米骤然降至零，不仅难度高、风险大，而且地面控制人员一点也帮不了忙，因此被科学家称为“恐怖7分钟”。
“好奇”号有多先进
“好奇”号的重量超过900千克，是2004年登陆火星的“勇气”号和“机遇”号重量的5倍。“勇气”号和“机遇”号使用太阳能电池板，不仅受制于火星季节变化，而且可提供的能量也很有限；而“好奇”号利用放射性钚衰变所产生的热量发电，足以为“好奇”号同时运转的诸多仪器提供充足的能量；“好奇”号的核燃料电池设计寿命长达14年，也高于太阳能电池板。
构造相对简单的“勇气”号和“机遇”号的主要任务，是寻找水存在的证据；“好奇”号虽然不是第一个登上火星的探测器，但它的能力更强大，研究的任务更复杂。“好奇”号是第一个可以利用机械臂末端的钻头钻入岩石内部取样的探测器，能测量火星岩石和泥土中不同化学元素的丰度，评估火星表面辐射环境及其对未来登陆火星的宇航员的危害，可以毫不夸张地说，携带十大先进工具的“好奇”号，就像一个标准的野外地质学家。
火星不是个友好的地方
“好奇”号肩负着为人类立足火星探路的艰巨任务。但火星不是个友好的地方，那里异常寒冷，寸草不生，时而沙尘暴咆哮不止，时而又静得吓人。在“好奇”号之前，人类一共向火星派出了17个着陆器，但只有7个安全着陆，而且每一个的成功程度都有所区别。疯狂吗？还可以，一旦你理解了就不觉得那么疯狂了。有风险吗？无论什么东西要在另一个世界着陆，总是有风险的。特别是这个着陆地点非常遥远，而且异乎寻常的不友好。
1971年11月下旬，苏联的“火星2号”着陆器，因为制动火箭没有点火而坠毁，人类第一次登陆火星的尝试以失败而告终。几天后的1971年12月2日，“火星3号”首次在火星成功着陆——但是只维持了20多秒钟，之后就在布满尘埃的火星表面“宣告死亡”了。 在随后的几次任务中，苏联的探测器要么在着落时坠毁，要么在火星上彻底失踪。
随后，美国的“海盗”号火星着陆器成功登陆火星，并开展了火星气象研究、拍摄全景照片，甚至寻找微生物的实验活动。1997年7月4日，美国的“旅居者”号火星车在火星着陆，并在火星表面开展活动；尽管它在火星上的总行程只有约100米，所到最远处距离登陆点也不超过12米，但仍令科学家和公众颇为兴奋。相比之下，“好奇”号的设计行程将超过19千米，并将在火星表面攀登高山。
2003年，欧洲的“猎兔犬2号”火星着陆器升空，不久后便再也没有与地球取得联系；但就在2004年，美国的“勇气”号和“机遇”号火星车则分别降落在了火星的相反两端。其中的“机遇”号目前仍在超期服役，而“勇气”号的轮子则不幸陷入流沙无法脱身，之后其太阳能帆板也无法吸收到足量的阳光供发电之用，火星最终“战胜”了“勇气”号。
载人登陆谈何容易
根据美国宇航局的估计，即便是确保宇航员在火星表面生存一天，需要送到火星的相关技术装备和包括水、食物和空气在内的必需给养就重达40~80吨。以目前人类的能力，即使是将1吨重的设备送到火星表面也已经非常勉强了。如果要在本世纪30年代中期实现载人登陆火星，必须从现在就开始行动，对每一项可能采用的技术进行仔细评估，作出可行或不可行的评估建议，或者设计全新的替代方案。
传统技术行不通
在过去的40年中，美国的每个火星登陆项目使用的都是传统技术。以重量约为“好奇”号一半的“海盗”号着陆器为例，它在火星高层大气中减速时，被装在一个坚固的热防护壳里进行摩擦减速；并在距离火星表面约6400米处时，释放一个降落伞以进一步减速；在距离火星表面约1500米处时，三台反冲发动机启动，使速度降到几乎为零并平稳着陆。
在1996年的“火星探路者”项目中，首次使用了气囊弹跳着陆方式。也就是用一个巨大的气囊包裹火星车，在着陆的最后阶段让气囊做自由落体运动，经过在火星表面的多次弹跳后最终静止；随后气囊自动打开，火星车从中驶出。由于“好奇”号的体积与一辆小汽车相当，体重超过900千克，所以既无法使用传统技术，也无法使用气囊着陆系统。
2012年8月6日13时31分，“好奇”号火星车成功登陆火星。几分钟后，它发出了一条“卖萌”微博：“曾经，人类迈出伟大的一小步；现在，我迈出了6个轮子。”这标志着人类迄今在其他星球着陆的最精密的移动科学实验室，开始了为期两年的火星探索之旅。
人们在直播的画面中看到的不是“好奇”号接近火星时的情景，而是一屋子穿着同样的蓝色衬衫的控制人员在紧张有序地忙碌着；奇怪的是，他们一边工作一边还不停地吃着花生。这是为什么？原来，在48年前的1964年7月31日，美国的“游骑兵7”号探测器开始了奔向月球的最后一段航程，该探测器的任务挺简单——在月球表面硬着陆；在着陆过程中拍摄几千张照片并发回地球。尽管如此，在此之前的6个“游骑兵”探测器的着陆都失败了，负责此项任务的工程师们都知道，他们快没机会了。但这一次，“游骑兵7”号终于改变了此前接连不断的霉运。由于它成功着陆时，碰巧有控制人员在吃花生，于是人们便猜测，吃花生肯定是带来好运的魔咒。从那以后，就没人敢不在乎这条规矩了。
这真是一个有趣的现象，搞最尖端技术的科学家居然也如此“迷信”。其实，相信此类“迷信”的岂止是美国人。人类第一个进入太空的苏联宇航员加加林，上天的前一天晚上看了一场电影；第二天在前往发射场的途中，又突然要上厕所；最终，加加林成功了。从此，所有的苏联、俄罗斯宇航员上天前，无一不看电影、上厕所。
恐怖7分钟
然而，让“好奇”号在火星表面安全着陆需要的可不只是运气和花生。当装有“好奇”号火星车的密封舱撞入火星大气层时，时速高达20920千米；在距火星表面11.3千米处时，稀薄的火星大气已把飞行器的时速降至1450千米；飞行器在扔掉隔热罩的同时打开了巨大的降落伞继续减速。在距火星表面约1.6千米处，“天空起重机”与外壳脱离，并启动反冲发动机，悬停在大约20米的高度，随后用尼龙绳索把“好奇”号吊放到火星表面；当“好奇”号的6个轮子轻柔地接触到火星的红色土壤时，尼龙绳自动切断，“天空起重机”飞离“好奇”号一段足够的距离后自动坠毁。由于从撞入火星大气层到安全着陆的7分钟内，“好奇”号的时速由超过两万千米骤然降至零，不仅难度高、风险大，而且地面控制人员一点也帮不了忙，因此被科学家称为“恐怖7分钟”。
“好奇”号有多先进
“好奇”号的重量超过900千克，是2004年登陆火星的“勇气”号和“机遇”号重量的5倍。“勇气”号和“机遇”号使用太阳能电池板，不仅受制于火星季节变化，而且可提供的能量也很有限；而“好奇”号利用放射性钚衰变所产生的热量发电，足以为“好奇”号同时运转的诸多仪器提供充足的能量；“好奇”号的核燃料电池设计寿命长达14年，也高于太阳能电池板。
构造相对简单的“勇气”号和“机遇”号的主要任务，是寻找水存在的证据；“好奇”号虽然不是第一个登上火星的探测器，但它的能力更强大，研究的任务更复杂。“好奇”号是第一个可以利用机械臂末端的钻头钻入岩石内部取样的探测器，能测量火星岩石和泥土中不同化学元素的丰度，评估火星表面辐射环境及其对未来登陆火星的宇航员的危害，可以毫不夸张地说，携带十大先进工具的“好奇”号，就像一个标准的野外地质学家。
火星不是个友好的地方
“好奇”号肩负着为人类立足火星探路的艰巨任务。但火星不是个友好的地方，那里异常寒冷，寸草不生，时而沙尘暴咆哮不止，时而又静得吓人。在“好奇”号之前，人类一共向火星派出了17个着陆器，但只有7个安全着陆，而且每一个的成功程度都有所区别。疯狂吗？还可以，一旦你理解了就不觉得那么疯狂了。有风险吗？无论什么东西要在另一个世界着陆，总是有风险的。特别是这个着陆地点非常遥远，而且异乎寻常的不友好。
1971年11月下旬，苏联的“火星2号”着陆器，因为制动火箭没有点火而坠毁，人类第一次登陆火星的尝试以失败而告终。几天后的1971年12月2日，“火星3号”首次在火星成功着陆——但是只维持了20多秒钟，之后就在布满尘埃的火星表面“宣告死亡”了。 在随后的几次任务中，苏联的探测器要么在着落时坠毁，要么在火星上彻底失踪。
随后，美国的“海盗”号火星着陆器成功登陆火星，并开展了火星气象研究、拍摄全景照片，甚至寻找微生物的实验活动。1997年7月4日，美国的“旅居者”号火星车在火星着陆，并在火星表面开展活动；尽管它在火星上的总行程只有约100米，所到最远处距离登陆点也不超过12米，但仍令科学家和公众颇为兴奋。相比之下，“好奇”号的设计行程将超过19千米，并将在火星表面攀登高山。
2003年，欧洲的“猎兔犬2号”火星着陆器升空，不久后便再也没有与地球取得联系；但就在2004年，美国的“勇气”号和“机遇”号火星车则分别降落在了火星的相反两端。其中的“机遇”号目前仍在超期服役，而“勇气”号的轮子则不幸陷入流沙无法脱身，之后其太阳能帆板也无法吸收到足量的阳光供发电之用，火星最终“战胜”了“勇气”号。
载人登陆谈何容易
根据美国宇航局的估计，即便是确保宇航员在火星表面生存一天，需要送到火星的相关技术装备和包括水、食物和空气在内的必需给养就重达40~80吨。以目前人类的能力，即使是将1吨重的设备送到火星表面也已经非常勉强了。如果要在本世纪30年代中期实现载人登陆火星，必须从现在就开始行动，对每一项可能采用的技术进行仔细评估，作出可行或不可行的评估建议，或者设计全新的替代方案。
传统技术行不通
在过去的40年中，美国的每个火星登陆项目使用的都是传统技术。以重量约为“好奇”号一半的“海盗”号着陆器为例，它在火星高层大气中减速时，被装在一个坚固的热防护壳里进行摩擦减速；并在距离火星表面约6400米处时，释放一个降落伞以进一步减速；在距离火星表面约1500米处时，三台反冲发动机启动，使速度降到几乎为零并平稳着陆。
在1996年的“火星探路者”项目中，首次使用了气囊弹跳着陆方式。也就是用一个巨大的气囊包裹火星车，在着陆的最后阶段让气囊做自由落体运动，经过在火星表面的多次弹跳后最终静止；随后气囊自动打开，火星车从中驶出。由于“好奇”号的体积与一辆小汽车相当，体重超过900千克，所以既无法使用传统技术，也无法使用气囊着陆系统。