凤凰传奇——美国“凤凰”号火星探测器运动全程

“凤凰”号部分发射窗口（以下均为美国东部时间）

日期　　　方案一　　　　　　　方案二

倾角93度　　　　　　倾角99度

8月3日　　5时35分18秒　　　　6时11分24秒

8月4日　　5时26分31秒　　　　6时02分55秒

8月5日　　5时17分23秒　　　　5时53分59秒

8月6日　　5时07分48秒　　　　5时44分32秒

8月7日　　4时57分36秒　　　　5时34分29秒

火星素有“探测器吞噬者”之称，各国共向火星发射了15个探测器，但迄今只有5个着陆成功。美国国家航空航天局(NASA)火星探测项目的主管道格·麦克奎斯逊在NASA总部表示：“火星经常向你扔出曲线球，误导你的判断。”

在“凤凰”号顺利到达它的目的地——火星之前，要经历点火、起飞、着陆的全过程，其间的任何一个微小的环节都关系着“凤凰”号的命运，关系着此次活动的成败，关系着人类走向火星的进程。

“凤凰”号此次路程约6.8亿千米，预计于2008年5月在火星北极软着陆，现在让我们密切关注它的运动全程。

发射窗口

根据地球、火星和其他星体的相对位置，“凤凰”号火星探测器的发射窗口从2007年8月3日一直持续至8月24日，共3周时间。每天有两个发射窗口，相隔大约36分钟。在每天的第一个发射窗口内，其运载火箭——“德尔塔”2火箭会以93度的倾角发射，而第二个发射窗口的火箭发射倾角则为99度。两个窗口之间之所以留出半个多小时，是为了让发射小组有充足的时间给火箭携带的电脑输入新的参数。如果“凤凰”号能够搭上“早班车”在前15天发射，那么预计于2008年5月25日抵达火星；如果是坐“末班车”在最后7天启程，那么抵达日期将推迟到2008年6月5日；但是如果“凤凰”号连末班车也赶不上，错过这3周的发射良机，“凤凰”号将只能再等待26个月，因为要到那时火星和地球运行轨道才能再次回到有利于“凤凰”号发射的位置。

很幸运，2007年8月4日，“凤凰”号带着使命飞天了。

护行使者——“德尔塔”2型运载火箭

本次给“凤凰”号送行的是美国“德尔塔”2运载火箭，它是一种三级火箭，由5个重要部分组成：第一级，包括一台最大净推力为20万磅的主发动机和9个捆绑式固体火箭发动机、级间、第二级、第三级以及直径为9.5英尺的有效载荷整流罩。火箭高约126英尺，宽8英尺。

逼近火星

一旦“凤凰”号与地面建立无线电通讯，并报告太阳能电池板发电良好和飞船温度正常，就开始进入巡航阶段。巡航阶段将持续9个多月，直至“凤凰”号冲入火星大气层前3个小时才结束。

“凤凰”号前往火星的巡航路线按照的是2号飞行路线（type Ⅱ trajectory），这就意味着飞行器从一个行星到另一个行星将要围绕太阳飞一多半路程，这比“奥德赛”号、“勇气”号、“机遇”号和“火星探测者”号所飞的1号飞行路线（type Ⅰ trajectory）要远得多。

巡航阶段，“凤凰”号巡航级拥有自己的太阳能电池板，所以“凤凰”号能够边走边充电。着陆器将一直躲在减速伞内，减速伞在飞行最后几分钟抛掉。推进器点火6次不断调整飞行器飞行路线。这种调整就是所谓的轨道校正机动（trajectory correction maneuvers）。2007年8月10日发射后第6天成功进行了首次也是最大的一次轨道机动，4个中型推进器点火3分钟17秒，每个推力为15.6牛。根据对实际轨道和预定轨道的测算，还将需要在发射后60天、抵达火星前45天、抵达火星前15天、抵达火星前8天、抵达火星前22小时进行轨道调整，登陆火星前8小时还预留了一次调整机会。

如果说巡航阶段的几次轨道调整是“凤凰”号能否准确着陆的关键，那么提供准确的轨道数据则是确保轨道正确调整的前提。俗话说，“差之毫厘，谬以千里”。我们在遥远的地球又如何精确获取“凤凰”号的轨道位置呢？NASA的科学家们在NASA深空网加利福尼亚州莫哈韦沙漠的金石（Goldstone）、西班牙马德里（Madrid）附近和澳大利亚堪培拉（Canberra）附近的雷达站采用了三种跟踪信息确定“凤凰”号轨道。第一种是传统的测距法，通过精确测量无线电信号往返飞船的时间计算飞船距离；第二种是传统的多普勒法，通过飞船无线电信号的偏移程度测量飞船相对地球的速度；第三种方法比较新，称为德尔塔微分单向测距法，可以补充飞行器在视线垂直方向的位置信息。每个雷达站都配备有70米直径的天线，至少两个34米直径的天线和其他一些稍小一点的天线。三个雷达站的位置能够保证在任何时间至少能有1个雷达站跟踪到“凤凰”号。所有雷达站直接与加利福尼亚州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室控制中心相连。地球上位于不同大陆的几对天线同时接受飞行器信号，然后天线同时观测来自已知天体基准点比如某个类星体的自然无线电波。欧空局位于澳大利亚和西班牙的雷达站也将协助NASA进行德尔塔微分单向测距。

据喷气推进实验室项目主管巴里·戈尔茨坦介绍，工程师们在过去四年对“凤凰”号进行了严格测试，“已将这套系统可能遭遇到的一切故障提前排除。”但是9个月的漫长日子里并不是也不可能靠默默祝福等待“熬”过去，还是要分秒必争地测试关键程序、设备和软件，为“凤凰”号万无一失着陆火星进行100％的充分准备。

生死着陆

“凤凰”号计划于2008年5月25日在火星登陆。目前NASA“奥德赛”火星探测器和“火星侦察者”探测器已经为“凤凰”号勘察好了着陆地点，首选着陆地为东经233度、北纬68度的一处平原，这个位置处于火星北极地区，那里地形比较平坦，很少有岩石，在地球上相当于阿拉斯加州北部或冰岛附近。之所以这个时机发射、这个地点着陆就是考虑到，到“凤凰”号5月份着陆时已经是春天了，有可能一些水冰可以慢慢融化，这是其一。极地地区，在春季和夏季有几个月的太阳是不落的，太阳光的持续照射，有利于温度提高，也有利于观测，这是其二。

发射成功只是迈出了到达火星万里长征的第一步，但是能否成功着陆则是整个任务中最困难的环节。“凤凰”号进入火星大气前3个小时直至安全着陆，是最危险、最具有挑战性，也是此次任务成败的关键。飞行器接触火星大气层顶层时速度达到每秒钟5.7千米。然后在随后的6.5分钟内要借助大气摩擦发热，降落伞和着陆推进器反向点火，将速度降至着地前每秒钟2.4米。1999年“火星极地”着陆器就在着陆时不幸遇难。“不管你采用什么方法，要在火星上安全着陆都是很困难的。” 喷气推进实验室“凤凰”号项目负责人巴里·戈德斯坦（Barry Goldstein）说，“我们的科研团队从2003年就一直严格进行各种测试，尽可能发现和解决任何潜在的危险。”到发射前为止，技术人员已经在评估火星极地着陆器的基础上对所有潜在危险采取了补救措施，确认并解决了几十个可能发生的问题。

“凤凰”号采取的软着陆方式，与早期探测器的硬着陆有很大不同，这也是此次任务面临的最大挑战之一。为了保证“凤凰”号安全着陆火星，必须做好几个关键性的环节：一是要准确进入火星轨道；二是要准确辨轨；三是要能够打开降落伞：距火星表面13千米打开，距火星表面1千米时切断；四是距火星表面500米时点燃12个小的发动机，即脉冲式发动机，以减掉它的速度，一直要减掉每秒2米左右，这样才能顺利地完成着陆。

“凤凰”号在抵达火星大气层上空7分钟前，将“忍痛”抛弃跟随它9个多月，一直从地球跟到火星的巡航级（cruise stage）硬件，半分钟以后飞行器开始绕轴旋转90秒钟将隔热板转到前面，用以吸收大气摩擦产生的大部分能量以保护飞行器。完成旋转后5分钟大约距火星地表125千米高度，“凤凰”号开始探测火星大气层顶部。随后通过与大气剧烈摩擦不断减速，3分钟后速度大大降低。到达125千米高空时速度仍为声速的1.7倍，系在飞行器后盖的超声波降落伞将打开，继续帮助“凤凰”号减速。降落伞减速的3分钟内，头25秒隔热板脱落，“凤凰”号“小心翼翼”地伸出三支“腿”来。降落伞打开75秒左右和着陆前130秒，“凤凰”号就利用雷达不断探测距离地面的高度。大约距地面900米，下降速度减到每秒钟55米左右，离火星表面500多米的时候要点燃减速推进器，也就是我们说的缓冲发动机，然后脱掉后盖和降落伞，“凤凰”号“现出原形”，在经历恐怖7分钟后慢慢降落到火星表面。

在“凤凰”号着陆器底部周围安装有12个制动火箭，每个推力约293牛，可依靠脉冲精确调整着陆速度，通过控制倾斜角度、偏航角度和转动保证姿态平衡。脱掉降落伞后3秒钟，大约距离着陆前30秒，制动火箭点火，再次减速，借助雷达输入完成“凤凰”号的软着陆，抵消着陆的冲击力，一旦着陆支架上的传感器探测与地面接触，制动火箭将完成使命自动关机。一旦“凤凰”号降落到火星表面，该探测器将停滞30分钟，期间使着陆时附着在探测器上的灰尘脱落。然后再展开两个圆形太阳能电池板、机械手臂、气象天线竿和摄像仪，开始探测工作。在2008年5月25日最终着陆前，“凤凰”号很可能要对一年前设定的复杂的着陆时序进行适当调整。

火星上的工作

“凤凰”号并不是去火星游玩的，从着陆第一秒钟开始，直至生命终止，“凤凰”号都承担着繁重的科研探测任务。“凤凰”号的设计探测使命为3个月，3个月内“凤凰”号都将“蹲点”式固定在火星上一个地方展开探测研究。

“凤凰”号着陆时间将是火星上暮春的一个下午。在太阳能电池板展开之前“凤凰”号都只能依赖电池储存的能量。所以着陆后展开太阳能电池板是“凤凰”号的第一任务。但是“凤凰”号着陆后还必须等待15分钟才能部署。这是为什么呢？着陆时制动火箭喷出的气流会扬起大量灰尘，如果灰尘落在太阳能电池板上，那么势必影响光电电池的转换效率。着陆地点太阳能电池板覆盖面上如果有任何超过0.5米高的岩石，也会对电池板展开造成麻烦。

“凤凰”号的两个太阳能电池板外形近似于正十边形，总面积约为4.2平方米。电池板展开后，就像两只大翅膀。“凤凰”号将自动调整姿势，以最大程度地吸收太阳光线，储备能量。紧接着“凤凰”号将伸出气象天线和照相机，利用立体摄像机采集火星着陆地点地面的第一批图像。

确认着陆地适合工作后，“凤凰”号将根据科研小组指示的挖掘地点利用机械手臂进行挖掘。地面科研小组设在位于图森的亚利桑那州大学飞行器操作中心。火星上的一天比地球上的一天长39分35.244秒，为了最大程度利用时间评估“凤凰”号每天发回的数据并准备第二天上传给“凤凰”号的指令，小组人员都按照“火星人”的时间表进行工作休息。

在“凤凰”号执行任务的3个月期间，科研小组成员将分析不同地层的土壤和冰块样本，监视大气变化。如果电量充裕，其他子系统工作状况良好，“凤凰”号还将继续工作一两个月，持续到火星的夏末秋初。影响“凤凰”号发电量的因素包括着陆时是否向南倾斜和火星尘埃在电池板上堆积的速度快慢。随着任务进行，“凤凰”号每天能接收的阳光会逐渐减少，尘埃也越集越多，发电量将日益萎缩，直至减少到不足以给“凤凰”号“取暖”保持运转，届时“凤凰”号就再也无法重生了。

“凤凰”号点火升空全程报道

T-00分00秒发射升空

“德尔塔”2型火箭一级主发动机和两个微调推进器以及9个捆绑式固体火箭发动机中的6个在T-0时刻同时点火，“凤凰”号火星探测器开始发射。

T+01分03秒1

固体火箭助推器燃烧

6个固体火箭助推器推进剂耗尽并燃烧。

T+01分05秒5空中启动点火

剩余的火箭助推器点火。

T+01分06秒0

6枚固体火箭发动机耗尽分离

首次点火的6个固体火箭助推器燃料耗尽以3个为一组丢进大西洋。

T+02分11秒5

丢弃固体火箭发动机

燃料用尽之后，3个完成使命的空气启动固体火箭推进器向大西洋方向弹射出去。

T+04分23秒3一级发动机熄火

飞行高度达111千米左右，一级主发动机弹尽粮绝，发动机关闭。微调发动机不久之后也熄火。

T+04分31秒3一级火箭分离

德尔塔火箭一级完成使命，级间分离，随后落入大西洋。

T+04分36秒8二级火箭点火

德尔塔火箭二级段接过接力棒，第一次点火，推动“凤凰”号探测器继续向高处飞行。

T+05分03秒0

抛弃有效载荷整流罩

用于保护“凤凰”号探测器的有效载荷整流罩一分为二，脱落。

T+09分20秒5

二级火箭第一次熄火

二级发动机关机，第一次点火任务完成。德尔塔 2火箭第2级、第三级和 “凤凰”号探测器进入滑行阶段，轨道高度约167千米，等待二级火箭重新点火。

T+73分47秒2 二级火箭重新启动

德尔塔 2火箭的二级发动机再次点火，推动“凤凰”号加速飞行进入前往火星的行星际航线。 二级火箭再次点火一般在发射后72到85分钟之间，但是根据发射时间的不同，再次点火时间也不尽相同。

T+76分02秒3

二级火箭第二次熄火

二级火箭2次点火后大约2分钟完成使命关机。在接下来的1分钟，德尔塔 2型火箭一侧的小型助推器将会被点燃，使得三级火箭旋转速度达到每分钟70转。

T+77分05秒5二级火箭分离

德尔塔2火箭二级与剩余部分完全脱离。

T+77分42秒8三级火箭点火

三级发动机点火持续大约87秒，“德尔塔”2火箭将乘客“凤凰”号送出地球轨道，完成奔火冲刺。

T+79分10秒3三级火箭熄火

三级火箭油尽灯枯，最后一点力气也给了“凤凰”号，德尔塔2运输使命完成。

T+84分10秒3

“凤凰”号探测器分离

“凤凰”号探测器同德尔塔2火箭3级告别，开始向红色星球飞去，为期9个月。

逼近火星

一旦“凤凰”号与地面建立无线电通讯，并报告太阳能电池板发电良好和飞船温度正常，就开始进入巡航阶段。巡航阶段将持续9个多月，直至“凤凰”号冲入火星大气层前3个小时才结束。

“凤凰”号前往火星的巡航路线按照的是2号飞行路线（type Ⅱ trajectory），这就意味着飞行器从一个行星到另一个行星将要围绕太阳飞一多半路程，这比“奥德赛”号、“勇气”号、“机遇”号和“火星探测者”号所飞的1号飞行路线（type Ⅰ trajectory）要远得多。

巡航阶段，“凤凰”号巡航级拥有自己的太阳能电池板，所以“凤凰”号能够边走边充电。着陆器将一直躲在减速伞内，减速伞在飞行最后几分钟抛掉。推进器点火6次不断调整飞行器飞行路线。这种调整就是所谓的轨道校正机动（trajectory correction maneuvers）。2007年8月10日发射后第6天成功进行了首次也是最大的一次轨道机动，4个中型推进器点火3分钟17秒，每个推力为15.6牛。根据对实际轨道和预定轨道的测算，还将需要在发射后60天、抵达火星前45天、抵达火星前15天、抵达火星前8天、抵达火星前22小时进行轨道调整，登陆火星前8小时还预留了一次调整机会。

如果说巡航阶段的几次轨道调整是“凤凰”号能否准确着陆的关键，那么提供准确的轨道数据则是确保轨道正确调整的前提。俗话说，“差之毫厘，谬以千里”。我们在遥远的地球又如何精确获取“凤凰”号的轨道位置呢？NASA的科学家们在NASA深空网加利福尼亚州莫哈韦沙漠的金石（Goldstone）、西班牙马德里（Madrid）附近和澳大利亚堪培拉（Canberra）附近的雷达站采用了三种跟踪信息确定“凤凰”号轨道。第一种是传统的测距法，通过精确测量无线电信号往返飞船的时间计算飞船距离；第二种是传统的多普勒法，通过飞船无线电信号的偏移程度测量飞船相对地球的速度；第三种方法比较新，称为德尔塔微分单向测距法，可以补充飞行器在视线垂直方向的位置信息。每个雷达站都配备有70米直径的天线，至少两个34米直径的天线和其他一些稍小一点的天线。三个雷达站的位置能够保证在任何时间至少能有1个雷达站跟踪到“凤凰”号。所有雷达站直接与加利福尼亚州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室控制中心相连。地球上位于不同大陆的几对天线同时接受飞行器信号，然后天线同时观测来自已知天体基准点比如某个类星体的自然无线电波。欧空局位于澳大利亚和西班牙的雷达站也将协助NASA进行德尔塔微分单向测距。

据喷气推进实验室项目主管巴里·戈尔茨坦介绍，工程师们在过去四年对“凤凰”号进行了严格测试，“已将这套系统可能遭遇到的一切故障提前排除。”但是9个月的漫长日子里并不是也不可能靠默默祝福等待“熬”过去，还是要分秒必争地测试关键程序、设备和软件，为“凤凰”号万无一失着陆火星进行100％的充分准备。

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