恐怖的7分鐘裏毅力號如何着陸火星？火星軟着陸方式有哪些？
北京時間2月19日凌晨4時55分，美國“毅力”號火星車經過6個多月的飛行，成功着陸在火星表面的耶澤羅隕石坑，正式開啓探測之旅。
作為NASA耗資27億美元的“火星2020”任務的絕對主角，“毅力”號是如何着陸火星的？火星探測器在火星軟着陸的方式主要有哪些？
美國“毅力”號火星車在火星着陸的過程示意圖。 本文圖片均由新華社發（美國航天局供圖）
“空中起重機”式着陸
“毅力”號是NASA第5輛火星車，也是NASA第9次着陸火星。作為NASA耗資27億美元的“火星2020”任務的絕對主角，“毅力”號的着陸火星方式和2012年的“好奇”號火星車相同，都採用了“空中起重機”。
從地球到火星，“毅力”號需要飛行203天、4 .72億公里。當抵達火星大氣層頂部，“火星2020”任務開始執行進入、下降與着陸階段（EDL）的任務，此時航天器的飛行速度達到每小時19500公里。“毅力”號進入火星大氣後，與大氣摩擦達到約1300攝氏度的温度峯值。
在EDL期間，“距離觸發”技術計算航天器與着陸目標的距離，根據導航位置自動更新降落傘的合理打開時間，以此形成更小、更精確的目標着陸區域。NASA表示，採用新技術後，“毅力”號的着陸區域比2012年的“好奇”號火星車小了10倍，比1997年第一輛火星車“旅居者”號小了近300倍。
航天器進入火星大氣約240秒後，直徑21.5米的降落傘打開，此時距離火星表面高度約11公里，速度約每小時1512公里。
降落傘展開20秒後拋離隔熱罩，雷達和攝像機為另一種新的着陸技術地形相對導航提供信息。地形相對導航技術是一種自動駕駛儀，它能夠快速判斷航天器在火星表面的位置並選擇最佳的安全着陸目標。
距離火星表面2.1公里時啓動火星車與降落傘及後殼分離，隨後開啓8台火星着陸發動機，幫助航天器飛到安全着陸點，並減緩降落速度。
距離相對地形導航指定的着陸區域上方20米時，空中起重機啓動，依靠尼龍繩索將火星車降落。當探測到火星車已經着陸在耶澤羅隕石坑便切斷繩索。
美國“毅力”號火星車在火星着陸的過程示意圖。EDL在大約7分鐘後結束，着陸火星的這段時間也被稱為“恐怖的7分鐘”。NASA表示，這不僅僅是因為EDL階段任務本就複雜，而且由於地球和火星距離太遠，通信時延長，這要求航天器必須有很強的自主能力。
全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩向澎湃新聞（www.thepaper.cn）介紹，“恐怖的7分鐘”有四個過程，包括氣動減速、傘降減速、動力減速、着陸緩衝。“整個過程不能遙控，完全是自主控制，上百個程序一條都不能錯。”
“如果關機提前1秒，硬着陸就摔壞了。”龐之浩介紹，例如原定1999年12月在火星着陸的美國“火星極區着陸器”就因發動機提前關機而下落不明。它在即將登陸火星表面時，由於軟件錯誤導致其起減速作用的火箭發動機過早關閉，最終撞毀。
美國“毅力”號火星車在火星着陸的過程示意圖。
火星軟着陸，還可以彈跳
“好奇”號火星車和“毅力”號火星車採用的降落傘＋緩衝發動機反推＋空中起重機的着陸方式，可滿足重量更大的探測器軟着陸要求，能精確着陸。
“這種着陸方式最為複雜，成本最高，技術最先進。”除了空中吊機式，龐之浩對澎湃新聞（www.thepaper.cn）表示，目前，探測器在火星軟着陸的方式主要還有另外兩種，每種方案都各有優缺點。
一是採用氣囊彈跳式。由於探測器是被氣囊包裹住的，所以剛着陸時會被彈起10層樓高，經過多次彈跳，逐漸降低彈跳高度，最後在火星表面着陸。此後氣囊放氣，探測器的護殼像花瓣一樣綻開，接着探測器慢慢爬出來。
美國“火星探路者”、“勇氣”號和“機遇”號火星車都採用了降落傘＋氣囊彈跳方式着陸。這種着陸方式簡單、成本低，但只能滿足重量小的火星探測器軟着陸要求，且着陸精度不高。
二是反推着陸腿式。美國的“海盜”號、“鳳凰”號和“洞察”號都採用了降落傘＋緩衝發動機反推＋着陸腿方式着陸，着陸腿在着陸時也起到一定的緩衝作用。這種着陸方式相對複雜、成本高，可滿足重量較大的探測器在火星軟着陸要求，着陸精度較高。
龐之浩介紹，我國的天問一號也是採用此種制動反推方式，除了降落傘以外主要依靠緩衝發動機反推着陸。
天問一號探測器整個着陸過程在9分鐘左右。探測器要在9分鐘的時間裏將速度從約每秒4.9公里降到0。而完成這一任務的第一步，就要藉助火星稠密的大氣。
氣動減速時，探測器要面臨高温以及氣動帶來的姿態偏差。一旦利用自身氣動外形和防熱結構扛過了氣動減速第一關，天問一號探測器速度就將減少90%左右。接下來需要立刻打開減速傘，直到速度降至每秒不到一百米時探測器攜帶的變推力發動機會準時開機，進入動力下降段。
到達距火面100米時進入懸停階段，探測器的微波測距測速敏感器對“地”測量，光學相機等對“地”成像。探測器可能還會在100米高度進行平移，選擇更安全的着陸區進行着陸。當自主確定着陸區域後，着陸巡視器會在緩衝機構和氣囊的保護下抵達火星表面。
2月18日“毅力”號火星車拍攝的火星照片。
探尋火星生命的跡象
1997年，NASA第一輛略顯寒酸的火星車“旅居者”號展示紅色星球上可以開車。
2004年登陸的“勇氣”號和“機遇”號找到了火星曾經有過流動水證據。
2012年登陸火星蓋爾隕石坑的“好奇”號發現，它所處的環境數十億年前是個湖泊，可能支持過微生物存活。
而“毅力”號誌在回答天體生物學的關鍵問題：有無跡象表明火星上存在過生命？
“毅力”號火星車着陸地位於火星赤道以北的耶澤羅隕石坑，這是個45公里寬的撞擊盆地，有古河流三角洲、懸崖、沙丘和較小的撞擊坑等。
在為期一個火星年（約687個地球日）的任務中，“毅力”號將尋找古代微生物生命的跡象，探索火星的氣候和地質特徵，收集火星岩石和風化層樣本。它是第一台為戰利品準備了返程票的火星車，會把有可能是生命跡象的岩石和沉積物樣本打包起來，留待後續火星項目送回地球，畢竟地球上有更大、更復雜的分析儀器。
“毅力”號攜帶多台儀器。MEDLI2傳感器套件在進入火星大氣期間收集火星大氣數據，地形相對導航系統在最後降落期間自動引導航天器，這兩方的數據將有望幫助人類未來在其他星球上更安全、攜帶更大有效載荷着陸。
Mastcam-Z是一對可變焦的科學相機，具有全景和立體成像能力，可以創建火星景觀的高分辨率、彩色3D全景。SuperCam使用脈衝激光研究岩石和沉積物的化學成分，並可以利用其自帶的麥克風，幫助科學家更好了解岩石硬度等性質。
能提供精細成像並使用紫外激光繪製礦物和有機化合物圖譜的光譜儀SHERLOC將和行星X射線岩石化學儀器PIXL一起工作，收集火星地質特寫數據。PIXL將使用X射線束和一系列傳感器研究岩石的元素組成。
火星地下實驗雷達成像儀RIMFAX是具備地下地質結構釐米級分辨率的探地雷達，將用來確定火星表面的不同層是如何隨着時間的推移形成的，這些數據為未來探測地下水冰沉積的傳感器奠定基礎。
MOXIE技術是一項從火星大氣二氧化碳中生成氧氣的技術演示。火星環境動態分析儀MEDA將提供當今火星天氣、氣候和灰塵的關鍵信息。附在“毅力”號“腹部”的“機智”號火星直升機將嘗試在火星上進行第一次動力控制飛行。
NASA表示，項目工程師和科學家們將在接下來的一兩個月裏測試每一個儀器、子系統和子程序，只有到那時才會將直升機部署到火星表面試飛。如果一切順利，“機智”號可以為探索這顆紅色星球增加一個空中維度，這樣的直升機也可以作為偵察機，或者為未來宇航員離開基地時提供運輸服務。
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