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人类最牛的一辆“车”,与那些恰到好处的“疯狂”

2019-5-26 14:24:23来源:极客公园作者:沈知涵、宋德胜责编:阿迷评论:

此时此刻,大约七千万公里之外,在那颗锈红色的星球上,价值25亿美元,人类历史上最伟大的一辆「车」自着陆火星开始,不休不止地工作了2388个火星日。对地球上NASA的科学家而言,这是2453个朝夕。

这辆16年前开始研发,8年前发射升空离开地球的火星探测车,在今天看来,无论是机械工程还是外星探索的领域,它依然是人类历史上的一个巅峰。然而,真正让好奇号成为一个「奇迹」的,是它刚刚进入火星大气层时的那次不可思议的「花式降落」。

▲火星上的好奇号〡NASA

一辆伟大的「车」

自1996年以来,「好奇号」是NASA第四台成功登陆火星的探测车,在此之前的三台分别是1997年探路者项目的「索杰纳号」,2004年着陆的「勇气号」和「机遇号」。

「索杰纳号」大概只有一个烤箱大小,「勇气号」和「机遇号」和割草机差不多大,相比之下,比后两者大了两倍、重了五倍的「好奇号」不仅是NASA有史以来最庞大、最复杂的火星车,它更是一辆真正的「车」。

好奇号的首要任务就是探究寒冷、干燥以及贫瘠的火星是否曾经有支持生命存活的迹象。为了完成任务,NASA的科学家们给好奇号装上了各式各样的复杂探测仪器,包括能钻孔的机械臂,取样分析的X射线分光仪,用于导航、避险、化学用途等等的各种专业摄像机,以及对矿物、水分子和其他化学元素进行分析的各种分析仪等等。

满负荷的「好奇号」重量达到了整整一吨,加上比前辈翻番的尺寸,好奇号如何在火星上安全着陆,成为了项目最难的一环。

无奈之下,负责「好奇号」的NASA「火星科学实验室」项目将希望将寄托在了喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)身上。

▲实验室里的好奇号〡Flickr

不可能完成的任务

喷气推进实验室是由NASA赞助,隶属于加州理工学院的太空探索科研机构,在历史上接手了包括卡西尼号和伽利略号在内的多个无人太空探测任务的开发和管理。

JPL承担了好奇号项目的EDL阶段(进入-降落-着陆)。为火星探测车策划一个从进入大气层到最终着陆的系统,是喷气推进实验室的看家本事,但即使如此,好奇号的项目难度还是让喷气推进实验室的顶级火箭科学家们感到头痛不已。

EDL小组首先想到了勇气号和机遇号的气囊方案,通过将火星车放置在气囊中缓解冲击力。但火星大气的密度只有地球的1%,只靠大气摩擦和降落伞不足以安全降落。对于好奇号来说,气囊撞击火星地表会对机器内部的敏感仪器产生损害,此外,在原本就庞大的机身上再加一个气囊,无疑会增加更多的重量,进而增加发射成本。

于是JPL又想到了2007年凤凰号的三脚式着陆系统,不过想要支撑好奇号这个庞然大物,三角式着陆系统也未必稳定。好奇号需要搭载更大的火箭,可能会在着陆中造成陨石坑,为火星车着陆后带来困难。

以往的着陆方式原本就存在着一定的风险,在发射好奇号之前,人类41项火星任务中只有15项任务取得了成功。不到一半的成功率让火星探测成为了一个仿佛上帝掷骰子一样高风险的任务,某种程度上,对理解这超高的着陆失败率的火箭科学家们而言,登陆火星本就是一件听天由命的事。

最不可能被否决的方案

总有人不愿听天由命。

一筹莫展之际,好奇号首席机械工程师、负责EDL阶段的亚当·施特尔茨纳(Adam Steltzner)心里很清楚,他和团队正在经历着那个所谓的「思维暗室」(dark room)。

在2003年的「火星探测漫游者」项目中,施特尔茨纳经历过同样的绝望,他和团队在解决气囊问题上寸步难行。回想起来,他说自己是在经历一个思考的绝望时期,「最难熬的一件事就是不知道现在是黎明前的黑暗还是真正黑暗的开始」。

经手项目无数,多次从这种「思维暗室」中走出的经验告诉施特尔茨纳,在真正的创新之前,「暗室」总会到来,「暗室」会让科学家和研究员们感到绝望,感到项目难以为继,但他们自己不能放弃。「懦夫有一千种死法」,在回顾这些年经历的一切时,施特尔茨纳引用了莎士比亚的名言。

2003年,施特尔茨纳和他的团队头脑风暴了三天,构思出「天空起重机」(sky crane)的原型,一个通过大气摩擦、降落伞、减速火箭和几根尼龙绳组成的着陆方案。

这是一个从未在航天任务中使用过的着陆方案。在进入火星大气后,火星探测车先后依靠大气摩擦和降落伞完成第一阶段的减速,随后开启减速火箭「天空起重机」,利用火箭助推实现整个火星车和助推器的悬停,最后用一根20米长的缆绳,一点点将伸出了六个轮子的好奇号「安放」在火星地表上预设的着陆地点,稳定着陆后,「天空起重机」飞往安全距离之外撞向地表。

施特尔茨纳为这个方案感到兴奋,这是对目前已有方案的一次巨大突破,在目前的情况下,他认为这是最不可能被否定的方案。

「天真和傲慢让我们以为所有人都会同意我们的方案,但是事实上不是这样的。」施特尔茨纳说道。「天空起重机」的方案传到了当时NASA局长迈克尔·格里芬的耳朵里,从不会过问细节的宇航局局长破天荒地将施特尔茨纳等人叫到华盛顿向NASA各个中心代表解释这个从未在航天任务中执行的着陆方案。

起初在格里芬看来,有过成功经验的气囊方案都比天空起重机更为合适。不过,在施特尔茨纳的坚持和说服下,格里芬作出了妥协,「我觉得这个方案太疯狂了。但也许,它是可行的,这种疯狂,也许是恰到好处的。」

一年多之后,EDL小组在此基础上尝试多种触地逻辑,「天空起重机」的概念逐渐得到EDL内部和外部专家审核委员会的通过,方案由此正式启用。

▲好奇号降落模拟图〡Wikimedia

惊险七分钟

2011年11月26日,好奇号从肯尼迪航天中心出发。八个月,经历了5.6亿公里的飞行旅程后,好奇号迎来了最关键的节点。

2012年8月6日,喷气推进实验室全员挤在执行任务的「作战室」里,EDL小组监控着每一次数据的传入,整个EDL阶段也就是好奇号从大气层降到火星表面需要7分钟,在这7分钟内,好奇号需要把时速从21000公里下降到0,每一个瞬间的动作都由超过50万行的计算机代码决定,地面的控制中心无法提供任何帮助。对这群世界最顶尖的科学家而言,这是他们十年来努力验证的一刻,要么功成名就,要么身败名裂,对冒险启用了「天空起重机」方案的施特尔茨纳而言,尤为如此。

在EDL内部,他们把这段时间称为「惊险7分钟」(Seven Minutes of Horror)。

监控屏上不断有数据传来。紧接着语音系统内不断有人说,「可能已经着陆成功」…「火星车惯性测量单元稳定」…「持续接收到来自火星天线的超高频无线电信号」…「确认着陆」。

整个房间沸腾了。

好奇号最终顺利以0.6m/s的「温和」速度降落在火星盖尔撞击坑内的伊奥利亚沼,它的实际着陆点距离预定陆地点仅仅相差2.4公里,完成了有史以来最精确的着陆。

再美国宇航局(NASA)发布的一段纪录片中,好奇号EDL项目负责人施特尔茨纳在片头中说道,「当人们看到它的时候,他们觉得这太疯狂了。这是很自然的反应。有时候我们看它,都会觉得疯狂」。

亚当·施特尔茨纳在喷气推进实验室的简报会上演示好奇号的降落方案〡Wikimedia

在这两千多个日夜,近七年对未知世界的探索中,NASA科学家们和好奇号火星探测车一起,经历了最初着陆时的惊惶,研究突破时的狂喜,沙暴中停机待命的无奈,以及挺过沙暴、「返岗工作」后的骄傲。两千多个日日夜夜过去,好奇号仍然在不休地工作着。凭着核能动力源的供给,原先只安排了23个月工作计划的好奇号可以继续在火星上持续工作55年。也许等到人类登陆火星的那一天,我们还可以见到正常运作的好奇号。

现在,缔造了七千万公里外那辆人类历史上最不可思议的一辆「车」的人,亚当·施特尔茨纳即将来到中国,在成都极客公园Rebuild大会的现场,和我们聊一聊「好奇号」背后恰到好处的疯狂创新,以及那些启发他独立思考的原点时刻。

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关键词:火星NASA好奇号

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