火星著陸，先從這枚8厘米的微型航天器開(kāi)始

閱讀時(shí)長(zhǎng)：5分鐘 | 第一眼看去，它就像一個(gè)高級(jí)航天玩具。

金屬色的衛(wèi)星航天器，圓圓的，只有8厘米寬。要是不看說(shuō)明，大概很多人會(huì)以為這只是ESA做的科普展品。

但它不是玩具。

這枚航天器剛剛完成了一件壯舉，它被發(fā)射出去，最高速度達(dá)到4300公里/小時(shí)，比子彈還要快。ESA介紹，這批微縮模型是ExoMars火星任務(wù)著陸模塊的縮小版測(cè)試件，用來(lái)模擬火星大氣進(jìn)入時(shí)的超音速空氣動(dòng)力學(xué)行為。

這太有意思了！

科學(xué)家們?cè)谠O(shè)計(jì)火星著陸任務(wù)時(shí)，首先想到的是：飛船會(huì)不會(huì)翻？會(huì)不會(huì)抖？姿態(tài)穩(wěn)不穩(wěn)？傳感器會(huì)不會(huì)在劇烈沖擊中失靈？空氣繞過(guò)外殼時(shí)，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生預(yù)想不到的力矩？

這些問(wèn)題沒(méi)法靠想象解決，也不能光靠電腦模擬一下就萬(wàn)事大吉。

所以，ESA提出了一個(gè)最直接的辦法：做一個(gè)等比例縮小的模型，裝上傳感器，然后發(fā)射出去。

ESA這次測(cè)試的原型，是ExoMars任務(wù)里的進(jìn)入、下降與著陸模塊，英文縮寫 EDLM。它未來(lái)的任務(wù)很明確：把羅莎琳德·富蘭克林號(hào)火星車送到火星表面。真正的著陸模塊直徑約3.8米，而這次的小模型直徑只有8厘米。尺寸小了幾十倍，但該有的數(shù)據(jù)采集能力一樣都沒(méi)少。每個(gè)模型都帶著電子線路和傳感器，用來(lái)記錄加速度、角速度、磁場(chǎng)變化、運(yùn)動(dòng)軌跡和飛行穩(wěn)定性。測(cè)試中一共用了20個(gè)模型，飛行距離約200到230米，速度范圍大約從1800到4300公里/小時(shí)。

可別小看這200多米。

火星著陸最恐怖的部分，往往不是“落地”那一下，而是進(jìn)入大氣后的那幾分鐘。飛船從星際飛行狀態(tài)一頭扎進(jìn)火星大氣，速度會(huì)非常快。ESA的資料里提到ExoMars下降模塊抵達(dá)火星時(shí)速度約21000公里/小時(shí)，隨后要靠隔熱罩、降落傘和反推火箭，一層一層把速度壓下來(lái)。

聽(tīng)起來(lái)像剎車。

但這不是汽車剎車，火星大氣太薄，薄到不能像地球大氣那樣輕松幫你減速。可它又不是完全沒(méi)有，飛船高速?zèng)_進(jìn)去時(shí)，照樣會(huì)劇烈加熱、震動(dòng)、受力。這就讓飛船很難受了，大氣厚度不夠慢慢飄，阻力卻足夠讓你摔得很慘。

NASA當(dāng)年把好奇號(hào)火星車著陸那幾分鐘稱為“恐怖七分鐘”，不是為了制造氣氛。那幾分鐘里，通信延遲太大，地球上的人根本來(lái)不及實(shí)時(shí)操控，一切動(dòng)作必須由飛船自己完成。降速、開(kāi)傘、拋隔熱罩、雷達(dá)測(cè)高、點(diǎn)火、落地，任何一個(gè)步驟遲一點(diǎn)、早一點(diǎn)，都可能把十幾年準(zhǔn)備砸進(jìn)紅色荒漠里。

2016年，ExoMars第一階段任務(wù)中的斯基亞帕雷利著陸驗(yàn)證器嘗試登陸火星。它成功進(jìn)入火星大氣，也展開(kāi)了降落傘，但最后階段出現(xiàn)異常，著陸失敗。ESA后來(lái)的調(diào)查報(bào)告指出，問(wèn)題涉及慣性測(cè)量單元飽和、導(dǎo)航計(jì)算錯(cuò)誤等一連串因素，飛行器錯(cuò)誤判斷自己已經(jīng)接近地面，導(dǎo)致后續(xù)動(dòng)作過(guò)早發(fā)生。

火星不會(huì)因?yàn)槟闶堑谝淮巍⒌诙危蛘邷?zhǔn)備了二十年，就對(duì)你溫柔一點(diǎn)。它只接受真正可靠的工程。

所以這枚8厘米航天器的意義，就不只是“看起來(lái)有趣”。它是在替未來(lái)那臺(tái)火星車提前踩坑，模型從炮管里沖出去的那半秒，工程師拿到的是姿態(tài)變化、振動(dòng)響應(yīng)、穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，還有傳感器在極端沖擊下能不能正常工作的證據(jù)。ESA認(rèn)為，這類縮比自由飛行測(cè)試，是在飛行硬件完成之前，用相對(duì)高效、經(jīng)濟(jì)的方式預(yù)判再入行為和穩(wěn)定性的手段。

更夸張的是，這個(gè)小東西要承受接近17000個(gè)g的加速度。

一個(gè)普通人坐過(guò)山車，幾個(gè)g就已經(jīng)夠刺激了，F(xiàn)1賽車手全力加速時(shí)的加速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不在這個(gè)量級(jí)。ESA 的說(shuō)法是，這約相當(dāng)于F1車手全油門加速時(shí)所承受加速度的11000倍。大多數(shù)電子設(shè)備別說(shuō)工作了，能不能保持結(jié)構(gòu)完整都很難講。

所以它必須同時(shí)具備兩種看似矛盾的特征：外殼要“抗揍”，里面又要足夠“敏感”。

抗揍，是為了不在發(fā)射瞬間被震壞。敏感，是為了捕捉那半秒里細(xì)微的姿態(tài)變化。半秒很短，但對(duì)工程師來(lái)說(shuō)，里面塞滿了信息。模型離開(kāi)炮管的瞬間，分離機(jī)構(gòu)是否干凈？姿態(tài)是否開(kāi)始偏轉(zhuǎn)？高速氣流繞過(guò)外形時(shí)，有沒(méi)有出現(xiàn)預(yù)料之外的擺動(dòng)？落點(diǎn)和軌跡是否符合計(jì)算？

這些數(shù)據(jù)，會(huì)回到設(shè)計(jì)里，變成下一輪模型、下一輪仿真、下一輪測(cè)試的依據(jù)。