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2021年2月19日4时55分31秒 ， 由大洋彼岸NASA喷气推进实验室设计制造的毅力号火星车成功登陆火星北半球伊西底斯盆地西北部边缘的杰泽罗撞击坑 。
毅力号是2020年第三个踏上火星征途的人类探测器 ， 最晚出发的它在历经约204天地火转移飞行后却最先着陆火星 ， 这是为什么呢？简而言之就是四个字“轻车熟路” 。
天空起重机拍摄的毅力号火星车
着陆火面后随着数据包陆续回传NASA先后公布了诸多登陆实况照片 ， 即有火面全色照片 ， 也有天空起重机拍摄的毅力号俯视视角照片 ， 看到这些很多网友感叹：太强了、NASA果然强、人类灯塔……
毅力号为什么可以有如此优异的表现呢？我们不仅要知其然 ， 更要知其所以然 。 首先要知道 ， 毅力号是NASA第二十二次火星探测任务 ， 第十次火星登陆任务 ， 第五次火星表面巡视任务 。
罗马不是一天建成的 ， NASA火星探测能力也绝非一蹴而就 。 纵观其火星探测历史“循序渐进”是关键词 ， 他们按照先易后难的顺序陆续攻克了飞越、环绕、着陆、巡视四大工程难关 。
毅力号拍摄着陆点全景照片
上世纪六十年代初NASA旨在探索系列地外天体的水手计划正式启动 ， 此举也标志着大洋彼岸火星探测时代的来临 。
针对火星飞越任务 ， NASA先后发射了水手3号、水手4号、水手6号、水手7号 ， 其中水手3号由于整流罩分离故障导致任务失败 ， 其余3次均获成功 。
所谓飞越探测意思是探测器从天体近旁掠过 ， 而不被天体引力捕获的探测行动 ， 任务难度最小 ， 但同时科研价值也最小 。
四艘火星飞越探测器构型基本相同 ， 横截面皆为八边形 ， 四片太阳能电池板轴对称呈十字形布置 ， 后续火星环绕与登陆探测器也延续了这一构型 。
水手4号火星飞越探测器
此后NASA又发射了两艘火星环绕探测器 ， 分别是水手8号与水手9号 ， 结果一负一胜 ， 最终通过水手9号成功突破火星环绕探测 。
水手9号不仅是第一颗环火卫星 ， 更是人类第一颗环绕地外行星运行的人造航天器 ， 其携带的科学载荷与水手6号、7号两艘火星飞越探测器类似 ， 由于近火制动需要消耗大量燃料因此轨道舱燃料贮箱与发射质量也是水涨船高 。分页标题#e#
水手9号环火卫星
环火探测的成功为NASA旨在实现火星登陆任务的海盗计划实施奠定了基础 ， 该计划包括两个火星探测器 ， 分别是海盗一号与海盗二号 。
两个航天器构造基本相同 ， 都由轨道器与着陆器组成 ， 发射总质量3.53吨 ， 轨道器2.328吨 ， 着陆器1.2吨 ， 最终降落火星表面的干重是0.572吨 。
轨道器负责地火转移飞行、着陆点成像、环火遥感探测等任务 ， 同时也是着陆器的中继通信卫星 ， 上述任务定位与我国天问一号环绕器颇为相似 。
海盗一号拍摄的着陆点照片
海盗一号与海盗二号分别在1975年的8月与9月间隔19天先后发射升空 ， 并先后于次年的7月20日与9月3日成功登陆火星表面 。 至此 ， NASA牢牢掌握了火星登陆任务的核心技术能力 。
海盗一号与海盗二号是后发制人的典型 ， 时常有人替苏联火星探测的时运不济打抱不平 ， 实质却是“欲速则不达” ， 科学问题从来不需要运气来主导 ， 归根结底是发展战略问题 。
为了拔得火星飞越探测任务头筹 ， 苏联火急火燎地在NASA之前抢先发射了5艘火星飞越探测器 ， 结果无一成功 ， 要么是没有进入地火转移轨道 ， 或者是在抵达火星前失联 ， 有的甚至在近地轨道也失联 。
欲速则不达
在航天探索的早期阶段这些问题也都是情理之中 ， 但接二连三地出问题 ， 深层次的发展战略矛盾才是症结所在 。
NASA则选择了稳扎稳打的发展战略 ， 不追求一时得失 ， 而是着眼长远谋划 。 比如火星登陆的历史纪录是由苏联拿下 ， 有了“面子”却丢了“里子” ， 如今火星探测话语权完全掌握在NASA手里就是明证 。
第一个软着陆火星表面的探测器：苏联火星3号（图为模型）
NASA火星探测史可以划分为两大阶段 ， 其中1996年12月4日发射的火星探路者号就是一个分水岭 ， 该探测器发射质量约0.895吨 ， 目的是将重量仅有10.5公斤的旅居者号漫游车送上火星表面 。
火星着陆气囊测试
旅居者号成功应用气囊缓冲方案实现了火面着陆 ， 着陆器与漫游车进行了两器互拍 ， 并获取了大量科学数据 ， 至此NASA全面掌握了火星绕落巡探测三大工程能力 。
着陆火星的旅居者号火星车
深空探测历来存在两大科目 ， 首先是工程到达能力 ， 尔后是在此基础上的科学探测能力拓展 ， 正是有火星绕落巡工程能力做铺垫 ， 这才有了后续勇气号、机遇号、好奇号、毅力号四辆火星车的大放异彩 。
2020年人类共实施了三次火星任务发射 ， 分别是阿联酋希望号、我国天问一号、NASA的毅力号 ， 希望号只是一颗环火气象探测卫星 ， 天问一号与毅力号则肩负有火星表面登陆与巡视任务 ， 难度系数自然也是最高 。
由上至下：希望号、天问一号、毅力号
迄今为止人类仅有大洋彼岸一家具备火星表面巡视任务能力 ， 天问一号如若成功不仅将填补我国火星探测空白 ， 还将使我们跻身火星探测顶级俱乐部 。
毅力号之所以能够做到最晚出发却最先到达的原因前文已经说了是“轻车熟路”四个字 ， “轻车”是相对而言的概念 。
比如毅力号发射质量4.1吨 ， 对比天问一号的5吨级自然是轻了不少 ， 这是因为它无需携带规模庞大的环绕器 。 环绕器即是着陆巡视器的太空摆渡车 ， 也是一颗环火卫星 ， 主要承担着陆点选择、地火中继通信、火星全球遥感等任务 。
?天问一号太空自拍（分离测量传感器拍摄）
毅力号火星登陆任务的环绕器职能是由此前在环火轨道部署的“火星勘测轨道飞行器”、“MRO侦察轨道器”、“奥德赛号”三颗环火卫星承担 。
“熟路”就更好理解了 ， 上述三颗环火卫星经年累月地对火星进行全球遥感成像工作 ， 火星表面形貌的数据积累已经相当扎实 ， 2013年又发射部署了旨在全面研究火星大气的MAVEN环火卫星 ， 进一步补齐了火星遥感数据 ， 在服务科研的同时也对火星进入舱的设计优化大有裨益 。
火星大气与挥发物演化任务（MAVEN）
同时 ， 此前八胜一负火星登陆成绩也积累了完备的工程条件与任务经验 ， 海盗一号与海盗二号两次任务之后NASA在实施后续火星登陆任务时都采取的是直接进入火星大气方案 ， 意思是没有环绕器制动减速进入环火轨道环节 。
毅力号进入舱分离
没有制动减速并不代表毅力号发射是一锤子买卖 ， 在地火转移飞行期间总计安排了6次轨道修正 ， 此时布置于加利福尼亚州、西班牙马德里、澳大利亚堪培拉的三座深空测控站将发挥作用 ， 它们将对毅力号精密测定轨 ， 尔后根据测控数据精确控制巡航段轨控发动机点火修正轨道 。分页标题#e#
毅力号的6次轨道修正
我国航天充分吸收了美苏深空探测的经验得失 ， 并结合自身条件走出了一条更具特色的发展道路 ， 在天问一号与毅力号的对比中更能感受这条特色发展道路的魅力所在 。
由于天问一号是我国首次独立自主实施的火星探测任务 ， 没有一手先验数据提供支撑 ， 也没有火星中继卫星提供地火通信服务 ， 因此必然需要一颗环火卫星进行火星全球遥感与数据中继支持 ， 因此“绕、落、巡”三大探测任务中的“绕”无法回避 。
天问一号环绕器
既然要“绕” ， 那么就要绕得有声有色 ， 天问一号发射质量约5吨 ， 其中环绕器就占据了3.7吨 ， 这一规模甚至超过了当前NASA部署火星轨道最先进的勘测轨道飞行器 ， 不仅规模相近 ， 搭载的科学载荷数量与质量也更有竞争力 。
首先二者都携带有高分辨率相机、
天问一号环绕器搭载的部分载荷
次表层探测雷达的火面穿透探测深度以及分辨率均优于NASA同类装备 ， 由此可见天问一号环绕器不仅仅是地火转移飞行的太空摆渡车 ， 其环火卫星职能的技术水平也达到了世界领先水平 ， 进一步提升了“火星绕、落、巡”任务的含金量 。
文章前面提到苏联火星探测是急功冒进的典型 ， 因为他们甚至在没有掌握飞越探测能力的条件下就妄图挑战一步实现火星绕落巡 ， 结果是鸡飞蛋打 ， 而大洋彼岸的NASA则是稳扎稳打的典型 。
天问一号近火捕获
那么 ， 天问一号属于哪种典型呢？应当说这是一次看上去“急功冒进” ， 但实际上却是“稳扎稳打”的任务设计 ， 工程决策者极具胆识与魄力 。
天问一号火星探测的确是从零起步 ， 但我们也早已是地外天体探测的老司机 。 嫦娥探月工程“绕、落、回”三步走战略的稳扎稳打积累了大量的货架装备与技术能力 ， 嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥五号T1、嫦娥四号、嫦娥五号总计六次探月任务实现了六战六捷 ， 其中三号、四号、五号更是实现了登月任务的三战三捷 ， 登月成功率高达100% 。
嫦娥五号月面采样
经过嫦娥探月工程淬炼我们建成了覆盖全球的深空测控网 ， 测控覆盖率达到90% ， 天问一号地火转移期间喀什深空天线组阵、天津武清70米口径天线相继建成投入使用 ， 完全具备了4亿公里级航天器精密测控与数据接收能力 。
助力嫦娥三号、四号、五号三次登月任务三战三捷的7500N变推力发动机的大喷管改进型也将助力天问一号着陆巡视器登陆火面 。
7500N变推力发动机
谈到7500N变推力发动机就不得不提到NASA火星登陆探测的一个转折点“火星极地登陆者”任务 ， 该探测器发射于上世纪末的1999年 ， 在此之前NASA已经成功实施了三次火星登陆任务 ， 分别是海盗一号、海盗二号、探路者号 。
所有执行火星表面软着陆任务的航天器都会经历一段被称为EDL的降落过程 ， 即进入、下降和着陆 ， 此一环节起始高度是距离火面约128公里处 ， 航天器首先利用进入舱外形与火星大气进行气动减速 ， 尔后拉出降落伞进入伞降减速段 ， 进入指定速域后进入舱大底与背罩先后抛离 ， 此时进入最后决定胜败的着陆环节 。
海盗系列着陆器
海盗一号与海盗二号在着陆环节采用的是动力减速方案 ， 由变推力发动机逆向喷射实现减速 ， 探路者号出于低成本运作考虑选择了气囊缓冲着陆方案 ， 该方案虽然成本低风险也相对较小 ， 但却限制了着陆规模 ， 并不是长久之计 。
因此紧随探路者号之后的火星极地登陆者又改回了动力减速方案 ， 然而后者在最后着陆环节遭遇了程序故障 ， 导致动力缓冲发动机在距离火面40米处提前关机 ， NASA唯一的火星表面软着陆失败案例由此产生 。
火星极地登陆者效果图
此次失败对NASA后续火星探测产生了重大影响 ， 受制于此勇气号与机遇号两辆采用气囊着陆设计的火星车披挂上阵 。
技术革新从来不是一片坦途 ， 而是呈现一种螺旋式上升轨迹 ， 虽然气囊着陆方案可以及时补位 ， 但其着陆规模小的先天缺陷注定无法取代动力缓冲着陆方案 。
天问一号动力缓冲着陆测试分页标题#e#
因此在勇气号与机遇号任务期间NASA又实施了基于动力缓冲着陆技术的凤凰号火星着陆探测任务 ， 为后续好奇号任务的实施奠定了基础 。
凤凰号着陆点环拍照片
事实上自海盗一号首次登陆火星以来NASA落火主动力一直走的就是并联主减速发动机技术路线 ， 相较于单发方案而言对程序控制可靠性的要求较高 。
需要指出的是 ， 当今世界处于现役状态并投入实际使用的地外天体软着陆主减速发动机产品中我国7500N变推力发动机是最大推力型号 ， 与之对比好奇号与毅力号使用的MLE主减速发动机推力是3300N ， 而这款发动机是自海盗二号任务以来时隔三十五年后NASA首度启用变推力地外天体降落主减速发动机 。
嫦娥三号着陆器7500N变推力发动机
单发与多发方案并无优劣之分 ， 单发可靠性显然更高 ， 而多发方案同样也是一个趋势 ， 毕竟单发动力总有上限 ， 多台并联可以减少研发投入 ， 多任务适应性也会更好 ， 以好奇号为例8台并联可以产生高达26400N总推力 ， 毅力号继承了这套动力系统 。
毅力号采用好奇号同款着陆器“天空起重机”
多发方案对于初涉地外天体登陆任务的玩家而言风险往往更高 ， 例如印度月船-2号在登月任务中也遭遇了相同问题 ， 最终在月面粉身碎骨的结局也印证了这一逻辑 ， 相反阿波罗登月飞船就很自觉地选择了单台主减速发动机方案 。
月船-2号着陆器
对于我国而言有了7500N变推力发动机就能进可攻退可守 ， 基于单台主减速发动机方案可以在火面部署规模超越NASA勇气号与机遇号的火星车 ， 若有更大规模的火星登陆任务也可以基于7500N变推力发动机进行多发并联改进设计 。
好奇号与毅力号代表着当今世界火星探测的最高技术水平 ， 尤其是毅力号着陆火星重量达到1吨左右 ， 被誉为火星表面移动实验室 ， 配置有X射线岩石化学行星仪、火星地下实验雷达成像仪、火星环境动态分析仪、火星氧气实验仪、超级相机、Mastcam-Z相机、拉曼荧光光谱仪 ， 总计7大科学载荷 。
毅力号火星车地面测试
天问一号火星车与之相比也配置了6大科学载荷 ， 分别是地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪、表面磁场探测仪、气象测量仪 ， 其中表面成分探测仪配置的LIBS激光诱导击穿光谱仪在毅力号超级相机中也有同类载荷 ， 两辆火星车也都配置了麦克风装置 ， 人类即将听到来自火星的真实声音 。
总体而言毅力号综合科研实力在天问一号火星车之上 ， 前者除了地面巡视探测还配置了一架共轴双旋翼小型直升机 ， 可以与火星车一道实施陆空联合探测 ， 除此之外毅力号配置的核电池可以连续工作14年不断电 。
天问一号火星车地面试验车
然天问一号作为我国首次自主火星探测任务 ， 一步完成绕落巡 ， 一步跨过NASA数十年发展历程 ， 这同样伟大 。 首先火星车车载6大科学载荷与更有科研竞争力的环绕器一道也将形成天地联合探测 ， 极大程度丰富我们对火星天体的科学认知 。
除此之外天问一号火星车行驶功能也有重大创新 ， 它一改以往地外天体巡视器的被动悬架 ， 转而采用主动悬架设计 ， 六轮全驱 ， 除了具备正常的直线行驶、原地转向、倒车等行驶功能外还有蟹行、蠕动等特殊行驶能力 ， 火面机动能力更强 。
天问一号火星车地面试验车原地转向
能源系统首次创新应用了正十一烷集热器 ， 白天直接摄取太阳能储热 ， 夜晚释放储存热能维护车载设备 。
天问一号作为我国首次独立探火任务正在用实际行动诠释着自身的发展加速度 ， 迈过2020年火星发射窗口之后 ， 太平洋两岸的两个主要玩家的视线都已经转向另一个赛道“火星采样返回” ， 这是一项被认为继阿波罗载人登月之后最具雄心的空间探索任务 。
火星采样返回任务三次发射方案
NASA基于毅力号的实践表明他们已经选择三次发射采样返回方案 ， 即由毅力号在火星表面抓取样本 ， 尔后再发射轨道器与返回器组合体、着陆器与上升器组合体 ， 着陆上升器携带一辆取货车 ， 将毅力号搜集的样本转移至上升器中 ， 上升器从火面发射升空与返回器对接 ， 再由返回器将样本送返地球 ， 如果工程计划实施一切顺利样本将在2031年返回地球 。
一步实现绕着巡 ， 二步完成采样回
我国火星探测不同于嫦娥探月的绕落回三步走 ， 而是三步变作两步走 ， 即“一步完成绕落巡 ， 二步实现采样回” 。分页标题#e#
按照计划2028年将是火星采样返回任务的发射窗口 ， 根据届时具备的运力推测 ， 有两种发射方案备选：一种方案是通过两枚大中型火箭分别发射轨道器/返回器组合体与着陆器/上升器组合体 。 另一种方案是使用新一代重型载人火箭采用一次发射方式将火星采样版“嫦娥五号”直接送入地火转移轨道实施采样返回任务 ， 两种方案的实施周期都可设计为三年 。
我国火星取样返回任务设计
也就是说双方都在瞄准2031年实现火星采样返回任务 ， 那么二者谁的赢面更大？技术角度而言 ， NASA优势是拥有成熟的火星登陆技术 ， 我方则拥有深空轨道无人交会对接与样品转移技术实践经验 ， 嫦娥五号的完胜战绩已经给出证明 。
工程实施角度来看 ， NASA采取的是与欧空局协作实施 ， 这里面就存在复杂的利益纠葛 ， 最终能否达成一致的合作意向目前仍是未知数 ， 即便确定合作方案 ， 具体实施进度也存在步调难协调的问题 ， 猎户座载人登月飞船也是明证 ， 该飞船由欧空局负责推进服务舱 ， NASA负责返回指令舱 ， 两舱结合的进度拖延案例近在眼前 。
旨在服务载人登月的新一代载人飞船
与之对比我国自主实施旨在服务载人登月用途的新一代载人飞船已经实现两舱结合版本首飞 ， 达成该任务节点我们只用了三年时间 ， 他们则是十年还没实现 。
火星采样返回任务也是同样的逻辑 ， 自主实施显然比多方
【NASA|毅力号刚到火星就登陆，天问一号却还要绕圈仨月，先进还是落后？】最后预祝今年5月下旬天问一号火星车能够稳稳地踏上火星表面 ， 为这一美好前景开创新局 。
来源：(巅峰高地讲堂)
【】网址：/a/2021/0224/kd737412.html
标题：NASA|毅力号刚到火星就登陆，天问一号却还要绕圈仨月，先进还是落后？
