安全气囊：勇气、机遇的守护神

登陆火星是多学科结合的高科技复杂系统工程。行程4亿千米，携带的仪器以及为了安全着陆采取的一切措施都是必不可少的。其中安全软着陆是一个独立的保障系统，包含了许多在地球上进行科学考察难以遇到的困难问题。在积累了历次火星考察的大量资料后，1997年火星探路者成功实现软着陆，第一次采用独特的4组6折24球体互联气囊的创新设计。2004年，勇气号和机遇号再探火星，采用的安全气囊在火星探路者的基础上做了更大的改进，有效地保证了两个探测器的安全软着陆。

你的安全有我守护

气囊最早在20世纪40年代用于飞机，1982年奔驰汽车公司开始将它用于轿车驾驶的安全保护。早期的火星探测器海盗1号和2号曾使用过结构比较简单的气囊。到1997年火星探路者使用的安全气囊则已初具雏形。

由于高速着陆的冲击力，着陆器落地后会不断弹跳，因此撞击的方向也会不断改变。将整个系统封装在球形气囊内不失为一种明智的考虑。火星探路者的气囊采用一种称为Vectran的超轻超强合成聚酯纤维。其坚固性可以适应任何地理情况。能够抗酸、抗碱、耐高温（300-4000C）、耐烧灼。整个气囊由24个（4组，每组6个）互相连接的凸出的球形气球组合在一起。单个气球的直径大约1.6米。每一个的表面积为8.95平方米。整个气囊的外形包络为直径5.2米的圆。连通是非常重要的，可以保持对地面压力的灵活性和敏感性，便于将受到的压力分散到其它部分。此外，气囊还有一个密封的内胆，由4层Vectran纤维构成。这样严密的保护，使着陆器从任何方向撞击布满岩石的火星表面时都能够得到万无一失的保护。

此次勇气号和机遇号的质量大幅度增加，两个火星漫游机器人勇气号和机遇号的质量都接近180千克，是探路者漫游车"索杰纳（Sojourner）"的15倍。 勇气号漫游车和气囊的落地质量为544千克。这对火星车着陆时的减速火箭提出了很高要求。至少要保证减速火箭发挥80%的功效，否则火星车就会被撞坏。落地后弹跳最高点预计有10层楼高（30米），而火星探路者的弹跳高度仅为15米；勇气号弹跳60次，探路者仅为15次；勇气号落地点和弹跳停止点的距离为1千米，而探路者仅为150米。这些都为勇气号的气囊设计带来新的问题。

设计者对勇气号和机遇号的气囊作了改进。虽然仍沿用24个连通气囊的原始结构，但配用了新的材料，气囊系统的重量增加27%，这样，受它保护的着陆器重量可以增加52%。在强度上达到了NASA科学家提出的安全要求。气囊外层从探路者的2层增加到6层，材料为100但尼尔（纤维粗细度量单位，15但尼尔以上纤维用于户外）的Vectran 纤维。2个内胆使用200但尼尔纤维。Vectran纤维的强度是其它纤维（例如Kevlar）的2倍，在寒冷环境下的性能也更好。这就使勇气号和机遇号有了更加完备的安全保护。

千锤面炼的“守护神”

在登陆火星以前，必须对气囊进行大量的模拟测试。为了确保勇气号着陆安全性达到更大的把握，NASA提出的口号是“测试、测试、再测试”。测试工作在NASA Glenn研究中心的Plum Brook试验站进行，它拥有世界上最大的真空试验塔可以模拟火星的大气环境。测试塔宽30米，高37米，相当3条并列的火车轨道。高速视频照相机记录下落全过程。工程师还建造了一个排列岩石的圆屋顶，安排摄像机从岩石的角度记录测试过程。

测试采用实物大小的气囊，利用“蹦极”那样的橡皮筋将气囊悬吊在6米的高空进行下落试验。模拟不同的着陆角度和和不同的落地速度。测试平台附加热模拟火星或者更加恶劣的表面岩石分布环境。岩石为白垩纪安山石，分布数据来源于火星探路者的数据。真空模拟火星的稀薄大气环境。实际测试的时候将气囊从10米的高度抛向测式平台。巨型“蹦极”缆绳的拉力为900千克，在气囊落地后松开。落体物质量约600千克，相当于气囊和着陆器的总质量。测试过程的落地速度为26米/秒，比着陆器的实际着陆速度要高些。由于下落物体的质量非常大，速度也很快，所以在测试区周围安装了巨大的网罩，以吸收晃动和弹跳引起的运动能量并且保证测试环境的安全。气囊上标有黑色标志便于高速摄影机的拍摄。每进行一次下落试验以后，气囊上会出现多个50-60公分长的裂口，气囊制造商派专人在现场，负责修理对气囊造成的撕裂或者破裂，记录需要修改的地方。有意思的是，缝补的工作人员就是给阿波罗登月的航天员尼尔?阿姆斯特朗和奥尔德林缝制登月服的人。

精打细算造“平台”

为了更准确地模拟勇气号和机遇号着陆时火星地表的情况。需要仔细设计安全气囊的测试平台。早期火星探路者的气囊测试平台设计主要是参考海盗1号和2号着陆器得到的岩石考察数据集。数据集数据表明，岩石埋入地下的情况参差不齐，有些是部分埋入，有些是深深埋入。岩石埋入地下的情况和撞击力有密切关系。当气囊遭遇高度大于0.2米的岩石时，伸展应力可能超过气囊内胆的强度而产生爆裂。角形岩石也会造成气囊外层更大的磨损，而无埋入的岩石对气囊的威胁比埋入岩石小，因为完全裸露的岩石遭到撞击以后可能移动或滚动，对于气囊内胆的应力较小，外层的磨损也小。

勇气号和机遇号气囊测试平台的设计在原有的基础上添加了火星探路者采集到的最新数据。在三个数据集的基础上对3个着陆点确定的岩石分布进行比较，同时对126块岩石形状提取特征，它们均为深埋类型。统计学结果表明，三个着陆点所有岩石中约33%是三角形岩石。其中高度大于0.2米的岩石中19%为埋入或者部分埋入的三角形岩石，14%为深埋的岩石，7%为三角形并且深埋的岩石。因此在设计勇气号和机遇号气囊测试平台的岩石分布时，设计者将25%的岩石设计为高度大于0.2米深埋的三角形岩石。以使测试平台的岩石对气囊的危险性大于火星表面，从而使安全性更加有把握。

守护神功不可没

当探测器落地时，安全气囊便可大显身手。探测器距火星表面120千米时，以19000千米/小时的速度冲入火星大气层。进入大气层的倾角为14.8度。如果倾角太小有可能使着陆器不是进入而是飞离大气层。而倾角太大又可能没有足够的时间完成所有减速、下降的动作。进入大气层4分钟后，依靠与火星大气的剧烈摩擦，探测器的速度减为1600千米/小时。这时探测器的舱外温度高达1400℃，但舱内的温度还保持在20℃。登陆前113秒，距火星表面8.6千米时，探测器打开降落伞，把速度减至321千米/小时。不久登陆器开始和气动外壳分离并且进入20米长系绳的下端，为气囊的展开提供空间。同时，雷达测高仪开始工作，获取高度数据。在登陆前８秒，距火星表面134米时，氦气通过3个功率强大的气体发生器充入气囊，气囊开始快速充气膨胀，整个充气过程仅用1秒。固体火箭的主要作用是为下降减速，气囊的充气是利用燃料燃烧的副产品。在这一过程中，气囊有两个点火燃烧过程。第一次点火切断拴带并松开气囊。第二次点火引发探测器携带的的3个固体火箭，带动气体发生器，将直径5.2米气囊充气到压强1psi（磅/平方英寸）。每一个火箭能够在2秒多钟内保持1吨推力。这时探测器 将探测器和防热罩隔开的绳索被切断，在火箭剩余推力的驱动下气动外壳上升进入降落伞，而封装在安全气囊中的着陆器落地。着陆速度为13米/秒。探测器落地后，气囊反弹起大约8米高，接着弹跳了至少27次，最后在距预定地点1千米处停稳。此后，气囊放气，探测器的护壳像花瓣一样绽开，接着探测器慢慢爬出来。

为了使软着陆更具安全性，勇气号和机遇号上还做了许多其它改进。科学家们设计了一种特殊的硬件，可以降低勇气号和机遇号着陆以后的撞击产生的水平速度。安装在勇气号气动壳体上的3个小固体火箭可以按任何组合点火，这是一种创新设计，降低了水平速度以及接近火星表面时着陆系统各个侧面震颤的速度，提高了点火的成功率。第一次采用降落成像器估计系统（DIMES），它是安装在登陆器上的向下俯视的照相机。当甲板上的雷达感觉到火星表面时，每隔4秒钟拍摄3幅地面照片，并且进行快速分析，估计着陆器的水平分速度。当科学家们获得勇气号数据后，进一步改进了机遇号的软件，调整降落伞张开的时间和其它参数，使机遇号软着陆的成功更有把握。

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