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音頻科普：美國(guó)第一輛火星車(chē)旅居者是怎樣成功的？
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音頻科普：美國(guó)第一輛火星車(chē)旅居者是怎樣成功的？
1989年柏林墻被拆除，象征著蘇聯(lián)社會(huì)主義陣營(yíng)開(kāi)始解體，標(biāo)志著美蘇兩國(guó)冷戰(zhàn)結(jié)束。隨之而來(lái)的是美國(guó)政府在太空任務(wù)方面的投入縮減。新上任的美國(guó)宇航局局長(zhǎng)（Dan Goldin）告訴大家，如果不改革，那么5年后，美國(guó)宇航局將不復(fù)存在。將來(lái)美國(guó)宇航局的任務(wù)都要完成得更快，更好，更便宜。必須激發(fā)出研究團(tuán)隊(duì)的技術(shù)創(chuàng)新力。
于是有了探路者計(jì)劃。使得火星在1997年7月4日迎來(lái)了第一輛能夠在火星上成功行駛的車(chē)，旅居者號(hào)（Sojourner），雖然大小只有微波爐那么大。它是隨探路者著陸器（Pathfinder）而來(lái)。只花費(fèi)了1.5億美元，是之前海盜任務(wù)的20%。雖然海盜號(hào)著陸器很成功，但那只是對(duì)火星的單向探測(cè)。而探路者為探測(cè)火星開(kāi)啟了新方式，就是雙向的?；鹦擒?chē)邊行走，邊傳回信息，而后等待地面科學(xué)家分析信息，接收指令，再前進(jìn)。旅居者號(hào)創(chuàng)造出用火星車(chē)探測(cè)火星的新技術(shù)和新方式，帶來(lái)了后續(xù)的勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)和好奇號(hào)火星車(chē)陸續(xù)登陸火星，2020年還將發(fā)射的火星2020火星車(chē)。
要成功降落到火星上，最關(guān)鍵的階段就是進(jìn)入（Entry），下降（Decent）和著陸（Landing）。
團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多種方案，不斷地建造，實(shí)驗(yàn)，損壞，修復(fù)。再重新開(kāi)始。最大的創(chuàng)新就是使用了氣囊。
旅居者著陸開(kāi)始，著陸器以每小時(shí)16000英里的速度進(jìn)入火星大氣層，著陸器外面有很好的隔熱保護(hù)罩，靠與大氣摩擦，減速到每小時(shí)900英里，然后，降落傘打開(kāi)，接著保護(hù)罩下面打開(kāi)，彈走，然后放下繩子，氣囊充氣，幾秒中后，著陸器以每小時(shí)50英里的速度落到火星表面，被彈起幾層樓高，再落回地面，再?gòu)椘?，幾個(gè)回合后，著陸器停下來(lái)，氣囊放掉氣，打開(kāi)，天線豎起，向地面?zhèn)骰匦盘?hào)：著陸器依舊完好！?
但是，在降落到火星上之前，不是所有環(huán)節(jié)都能進(jìn)行真實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)，其中就包括降落傘。在地球上無(wú)法模擬火星大氣，測(cè)試降落傘的減速情況。如果降落傘工作正常，那么，接下來(lái)的難點(diǎn)是知道在什么時(shí)候給氣囊充氣，在落地前幾秒鐘氣囊必須充好氣。開(kāi)始的設(shè)計(jì)是繩子底部有傳感器，但不起作用，于是加上了雷達(dá)，但又出現(xiàn)了新問(wèn)題，當(dāng)繩子放下來(lái)后，不停地?cái)[動(dòng)，雷達(dá)測(cè)出的數(shù)據(jù)也是變化的。后來(lái)，又加上了反向火箭，使速度降得更低。就這樣，不斷改進(jìn)，不斷加進(jìn)新的減速手段。最后的難題是充氣氣囊本身。用當(dāng)時(shí)最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)氣囊，模擬氣囊的受力和運(yùn)動(dòng)，并模擬降落火星整個(gè)環(huán)節(jié)和過(guò)程，發(fā)現(xiàn)對(duì)有些部分考慮得不夠細(xì)致，其中就包括充氣氣囊。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，它們對(duì)氣囊涉及到的物理知識(shí)有90%不了解，對(duì)降落到火星的探路者有50%不了解。當(dāng)時(shí)技術(shù)方面臨的最大問(wèn)題就是控制質(zhì)量。不是發(fā)送多少質(zhì)量到火星，而是能讓多少質(zhì)量安全降落到火星上。質(zhì)量越大，慣性越大，降落到火星時(shí)，減速就越難。所以，每增加1克，都要仔細(xì)斟酌。為了控制質(zhì)量，團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)威脅火星車(chē)設(shè)計(jì)人員，誰(shuí)增加了質(zhì)量，誰(shuí)就可能被開(kāi)除。十分苛刻，十分有挑戰(zhàn)性，但是他們做到了。
落到火星上，氣囊停止彈跳、滾動(dòng)后，氣囊中的氣就被放掉，而后，氣囊打開(kāi)，露出里面的儀器設(shè)備。豎起的第一個(gè)設(shè)備是相機(jī)，找到太陽(yáng)，根據(jù)太陽(yáng)，確定地球的方向，然后將天線對(duì)準(zhǔn)地球，發(fā)回在火星上的拍攝的第一張照片。在地面測(cè)試時(shí)，除了要控制好火星車(chē)自己，還要不斷測(cè)試太陽(yáng)、火星、地球的位置。
相機(jī)距離火星表面大約1米高。豎起的時(shí)間不到1秒鐘。相機(jī)為火星拍攝廣角照片，以火星探路者為中心，拍攝一周，帶有23種濾光片，用來(lái)分析火星地面物質(zhì)的組成成分，探測(cè)火星大氣的性質(zhì)。
氣囊放掉氣以后，收縮，著陸器三片像花瓣一樣的葉片打開(kāi)，旅居者號(hào)位于一個(gè)葉片上。坡道展開(kāi)，好讓旅居者號(hào)順利通過(guò)圍繞在探路者號(hào)周?chē)臍饽?，此時(shí)，旅居者號(hào)從固定平臺(tái)上脫開(kāi)，主動(dòng)輪向后行駛，其他輪子鎖住不動(dòng)，整個(gè)車(chē)身站立起來(lái)，同時(shí)車(chē)上設(shè)備準(zhǔn)備好，之后，車(chē)就從坡道上開(kāi)下來(lái)。車(chē)輪設(shè)計(jì)得可以跨越障礙，即使比車(chē)輪大，比車(chē)輪高的石塊也能開(kāi)過(guò)去。車(chē)開(kāi)過(guò)后，留下很明顯的車(chē)輪行駛的痕跡。車(chē)可以自己判斷距離著陸器有多遠(yuǎn)。
旅居者投入很小，技術(shù)創(chuàng)新不是很大，但極具前瞻性，開(kāi)拓性，成功后，使后續(xù)可以做更多更重要的事。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室正在研制的火星直升飛機(jī)也是這樣的技術(shù)。20年后，人們也許談?wù)摳嗟氖侨绾斡没鹦菤馇?、火星飛機(jī)探測(cè)火星。
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于是有了探路者計(jì)劃。使得火星在1997年7月4日迎來(lái)了第一輛能夠在火星上成功行駛的車(chē)，旅居者號(hào)（Sojourner），雖然大小只有微波爐那么大。它是隨探路者著陸器（Pathfinder）而來(lái)。只花費(fèi)了1.5億美元，是之前海盜任務(wù)的20%。雖然海盜號(hào)著陸器很成功，但那只是對(duì)火星的單向探測(cè)。而探路者為探測(cè)火星開(kāi)啟了新方式，就是雙向的?；鹦擒?chē)邊行走，邊傳回信息，而后等待地面科學(xué)家分析信息，接收指令，再前進(jìn)。旅居者號(hào)創(chuàng)造出用火星車(chē)探測(cè)火星的新技術(shù)和新方式，帶來(lái)了后續(xù)的勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)和好奇號(hào)火星車(chē)陸續(xù)登陸火星，2020年還將發(fā)射的火星2020火星車(chē)。
要成功降落到火星上，最關(guān)鍵的階段就是進(jìn)入（Entry），下降（Decent）和著陸（Landing）。
團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多種方案，不斷地建造，實(shí)驗(yàn)，損壞，修復(fù)。再重新開(kāi)始。最大的創(chuàng)新就是使用了氣囊。
旅居者著陸開(kāi)始，著陸器以每小時(shí)16000英里的速度進(jìn)入火星大氣層，著陸器外面有很好的隔熱保護(hù)罩，靠與大氣摩擦，減速到每小時(shí)900英里，然后，降落傘打開(kāi)，接著保護(hù)罩下面打開(kāi)，彈走，然后放下繩子，氣囊充氣，幾秒中后，著陸器以每小時(shí)50英里的速度落到火星表面，被彈起幾層樓高，再落回地面，再?gòu)椘?，幾個(gè)回合后，著陸器停下來(lái)，氣囊放掉氣，打開(kāi)，天線豎起，向地面?zhèn)骰匦盘?hào)：著陸器依舊完好！?
但是，在降落到火星上之前，不是所有環(huán)節(jié)都能進(jìn)行真實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)，其中就包括降落傘。在地球上無(wú)法模擬火星大氣，測(cè)試降落傘的減速情況。如果降落傘工作正常，那么，接下來(lái)的難點(diǎn)是知道在什么時(shí)候給氣囊充氣，在落地前幾秒鐘氣囊必須充好氣。開(kāi)始的設(shè)計(jì)是繩子底部有傳感器，但不起作用，于是加上了雷達(dá)，但又出現(xiàn)了新問(wèn)題，當(dāng)繩子放下來(lái)后，不停地?cái)[動(dòng)，雷達(dá)測(cè)出的數(shù)據(jù)也是變化的。后來(lái)，又加上了反向火箭，使速度降得更低。就這樣，不斷改進(jìn)，不斷加進(jìn)新的減速手段。最后的難題是充氣氣囊本身。用當(dāng)時(shí)最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)氣囊，模擬氣囊的受力和運(yùn)動(dòng)，并模擬降落火星整個(gè)環(huán)節(jié)和過(guò)程，發(fā)現(xiàn)對(duì)有些部分考慮得不夠細(xì)致，其中就包括充氣氣囊。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，它們對(duì)氣囊涉及到的物理知識(shí)有90%不了解，對(duì)降落到火星的探路者有50%不了解。當(dāng)時(shí)技術(shù)方面臨的最大問(wèn)題就是控制質(zhì)量。不是發(fā)送多少質(zhì)量到火星，而是能讓多少質(zhì)量安全降落到火星上。質(zhì)量越大，慣性越大，降落到火星時(shí)，減速就越難。所以，每增加1克，都要仔細(xì)斟酌。為了控制質(zhì)量，團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)威脅火星車(chē)設(shè)計(jì)人員，誰(shuí)增加了質(zhì)量，誰(shuí)就可能被開(kāi)除。十分苛刻，十分有挑戰(zhàn)性，但是他們做到了。
落到火星上，氣囊停止彈跳、滾動(dòng)后，氣囊中的氣就被放掉，而后，氣囊打開(kāi)，露出里面的儀器設(shè)備。豎起的第一個(gè)設(shè)備是相機(jī)，找到太陽(yáng)，根據(jù)太陽(yáng)，確定地球的方向，然后將天線對(duì)準(zhǔn)地球，發(fā)回在火星上的拍攝的第一張照片。在地面測(cè)試時(shí)，除了要控制好火星車(chē)自己，還要不斷測(cè)試太陽(yáng)、火星、地球的位置。
相機(jī)距離火星表面大約1米高。豎起的時(shí)間不到1秒鐘。相機(jī)為火星拍攝廣角照片，以火星探路者為中心，拍攝一周，帶有23種濾光片，用來(lái)分析火星地面物質(zhì)的組成成分，探測(cè)火星大氣的性質(zhì)。
氣囊放掉氣以后，收縮，著陸器三片像花瓣一樣的葉片打開(kāi)，旅居者號(hào)位于一個(gè)葉片上。坡道展開(kāi)，好讓旅居者號(hào)順利通過(guò)圍繞在探路者號(hào)周?chē)臍饽?，此時(shí)，旅居者號(hào)從固定平臺(tái)上脫開(kāi)，主動(dòng)輪向后行駛，其他輪子鎖住不動(dòng)，整個(gè)車(chē)身站立起來(lái)，同時(shí)車(chē)上設(shè)備準(zhǔn)備好，之后，車(chē)就從坡道上開(kāi)下來(lái)。車(chē)輪設(shè)計(jì)得可以跨越障礙，即使比車(chē)輪大，比車(chē)輪高的石塊也能開(kāi)過(guò)去。車(chē)開(kāi)過(guò)后，留下很明顯的車(chē)輪行駛的痕跡。車(chē)可以自己判斷距離著陸器有多遠(yuǎn)。
旅居者投入很小，技術(shù)創(chuàng)新不是很大，但極具前瞻性，開(kāi)拓性，成功后，使后續(xù)可以做更多更重要的事。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室正在研制的火星直升飛機(jī)也是這樣的技術(shù)。20年后，人們也許談?wù)摳嗟氖侨绾斡没鹦菤馇?、火星飛機(jī)探測(cè)火星。
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