如何科學地表演“鐵鍋燉自己”

來源：中科院地質地球所

NASA的火星2020任務，毅力號火星車，着陸已經有一個多月了，相關的科研任務正在開展，美國的科學家和工程師們也開始了對數據的初步分析。

出乎小編意料的是，最早一批科學數據產出，居然包含了毅力號“鐵鍋燉自己”的關鍵數據！

所謂“鐵鍋燉自己”中的“鐵鍋”，指的是毅力號的“隔熱罩”；這口鐵鍋還有一個“鍋蓋”，就是毅力號的“背殼”。毅力號在進入火星大氣層時，高速與大氣層摩擦並壓縮前方的空氣，導致這口鍋被加熱到數千攝氏度，壓力也遠高於靜壓，活像一隻高壓鍋。

從上到下：毅力號（火星2020任務）的巡航級、背殼、下降級、毅力號火星車和隔熱罩

進入火星大氣層的過程非常兇險，全靠這口大鍋保護火星着陸器，因此，其性能至關重要。如何評估這套隔熱罩和背殼的效果呢？NASA工程師在這層殼子上安裝了很多溫度和壓力的傳感器，及其管理系統，統稱爲MEDLI2（The Mars Science Laboratory Entry Descent and Landing Instrument 2）。它記錄了毅力號“鐵鍋燉自己”過程中，殼子各處的重要溫壓數據。4月1日，NASA在其官網上發佈了工程師對這段數據的分析成果。

毅力號火星車隔熱大底及其上安裝的MEDLI2。紫銅色線路是MEDLI2的佈線，線路連接了控制器盒與各傳感器

衆所周知，毅力號火星車是好奇號火星車的親兄弟，二者的設計基本一樣。MEDLI2與好奇號火星車的MEDLI也是基本相同的。MEDLI主要用於測量着陸器進入火星大氣層時的空氣熱環境、隔熱罩淺表面的材料性能、大氣層密度、以及幫助着陸器穩定方向。它會在着陸器進入火星大氣前五個小時左右開機，一直工作到着陸器的超音速降落傘展開後約10秒，並在隔熱罩分離前的幾秒完全關機。

剛剛分離的隔熱罩，與安裝在其上的MEDLI2。圖片爲毅力號火星車着陸過程中實際拍攝

MEDLI2包含了三大類傳感器，熱電偶、熱流計、壓力傳感器。這些傳感器的數據經過預處理之後，會傳輸至毅力號火星車上暫存，等着陸成功，一切安全之後再回傳地球。

鐵鍋的壓力

壓力傳感器測量的是隔熱罩上的壓力，隔熱罩是着陸器的迎風面，直觀地想，隔熱罩上的壓力應該會和着陸器的迎風速度、火星大氣層的密度正相關。

NASA發佈的壓力傳感器數據曲線，縱軸是壓力，橫軸是數據的秒數。數據圖既不清晰，也缺乏刻度，只能看個大概

圖中可見，隨着時間的推移（着陸過程的推進），壓力在不斷降低，呈現近似指數下降的規律——與此同時，速度也是隨時間降低的。在圖線中的①段，着陸器進行了數次旋轉機動，用於調整氣動指向，導致壓力發生波動。在圖線中的②段，着陸器拋出了數個配重塊，通過改變重心調整了自身的姿態，姿態的改變導致了表面壓力的改變。到圖線的③段，超音速降落傘打開，速度急劇降低，壓力也隨之急劇降低。不到10秒，MEDLI2關機，數據中斷。

在這之後，毅力號火星車會先拋掉“鐵鍋”隔熱罩，再拋掉“鍋蓋”背殼，然後靠反推火箭和天空吊車慢慢着陸。

隔熱罩與着陸器通過火工品（爆炸螺栓）連接，在分離前，熱切割器先燒斷MEDLI2和火星車之間的數據線，隨後爆炸螺栓把隔熱罩扔出去

鐵鍋的溫度

毅力號與我國的天問一號設計不同，他是直接從火星的飛掠軌道降落到火星地面。因此，其進入火星大氣層時的相對速度非常高，可以達到約5500米每秒，超過20倍火星聲速，其降落過程可以說是非常“火花帶閃電”。根據MEDLI2的測量，在隔熱罩內，峯值溫度達到了約1000℃，對應隔熱罩外表面約1400℃。

這溫度很高，而且會持續數分鐘，一般來說，航天器再入大氣層時，都會在隔熱罩上覆蓋厚厚的一層“燒蝕劑”來吸收和發散熱量。可是火星探測器上，每一克質量的發射成本遠超黃金，燒蝕劑帶多了當然就是浪費。NASA的工程師於是在隔熱罩裏埋設了11個熱電偶傳感器（跟家裏測量油鍋溫度的溫度計是同類），一方面，增強溫度測量的準確性；另一方面，如果某一個熱電偶損壞了，說明那個位置的燒蝕劑用完了。

整個實驗做下來，可以說是收穫頗豐，也可以說是毫無收穫——佈置的11個熱電偶一個都沒壞，說明隔熱罩非常充分。換句話說，隔熱罩上的燒蝕劑的量“需要重新評估”。下一次美國人的火星探測器的隔熱罩，可能會再輕盈一些。

幫助燉好下一鍋火星探測器

最近幾個月以來，各路自媒體和官媒，已經爲大家反覆科普了，爲什麼美國的火星車是直接着陸的，而我們的火星車要在軌道上先觀察三個月再着陸。一言以蔽之——美國人經驗豐富。哪怕是這麼一個不夠完美的隔熱罩，也是他們幾十年技術迭代的結晶。我們中國人第一次造訪火星，當然必須慎之又慎，哪怕不得不犧牲火星車的部分性能。