好奇号之后,NASA 要用三次任务把火星土壤带回地球

摘要

「科学家告诉我们,要想真正了解火星,我们需要把火星的土壤样本带回地球。」

「下一步是什么?接下来,NASA 的好奇心会把我们带去哪里?」

成就了好奇号「恐怖七分钟」的 Adam Steltzner 在 BMW · 极客公园 Rebuild 2019 科技商业峰会的舞台上说道,「要想真正了解火星,我们需要把火星的土壤样本带回地球。」

NASA 2020 年火星探测项目的终极目的就是将火星的土壤样本带回地球,但一个项目还远远不够。从第一台火星车启程离开地球,到样本随火箭降落在地球上并完成回收,横跨三次火星探索项目,大约需要近十年的时间才能完成。等到样本登陆地球,乐观估计,也是 2030 年以后的事了。

但时下的每一天,我们都距离那个终极目标更进一步。

结束成都的行程后,Steltzner 马上就要赶回美国加州的喷气推进实验室总部,监督火星探测车的采样系统完成最后的测试。他落地成都只有 45 小时,往返加州却需要 30 小时。他此前估算在他出发来中国成都之前,采样系统的测试应该早已完成,但「计划总会延迟,不论你怎样计划好一切,我参与过六次探测项目,每一次都会比计划延迟。」

因为外星探索容不得半点差错,数以千计的科学家和工程师们日以继夜地工作,只为了将一台汽车大小的设备送上另外一颗行星。

这台基于好奇号打造的探测车,即将于明年夏天出发前往火星。因为好奇号的「恐怖七分钟」而「一战成名」的 Steltzner 担任这一任务的首席工程师。

好奇号的成功着陆给他带来了数不清的荣誉,但对他而言这仍是一个需要消化的事实。现在他还会常常惊叹 NASA 批准「天空起重机」(Sky Crane)着陆方案的不可思议。他也会常常想起好奇号迫近火星的那几天自己的昼夜难眠。

「别人睡不着觉的时候数羊,我睡不着的时候在数可能会导致失败的问题。」

这就是太空探索,失败的恐惧总是萦绕耳边,严谨是远远不够的,有时候你需要冒险,需要勇气,用疯狂的方案,完成不可思议的成就。

以下是 NASA 好奇号火星车首席机械工程师 Adam Steltzner 在 BMW · 极客公园 Rebuild 2019 科技商业峰会上的演讲,经极客公园编辑整理:


极客公园的朋友们,早上好。

这是一段登陆火星时拍摄的视频,也是一段拍摄非常困难的视频。拍摄这段视频时,摄像头放置在地外最大的探测器上,它叫好奇号。拍摄地点在距离火星表面 2.5 英里的高空,摄像头挂在探测器上,在巨大的超音速降落伞下面。

好奇号的名字起得特别好,好奇就像火花,探索火星就是点燃火花,探索让我们进入了新的目的地和领域,进入了新的空间,有了新的发现,进行了新的独立思考。探索能带我们去到遥远的地方。

我个人的好奇之旅没有从火星开始,而是从旧金山湾区的金门大桥开始,我在那里长大。

这张图片很有意思,大家可以看到夜空中有一个猎户座的星座。我当时还很年轻,读书成绩不好,21 岁的时候,在旧金山湾区玩摇滚,希望以后成为玩摇滚的音乐家,所以当时没有念特别好的学校。

有一天,表演结束后我回家,发现猎户座的位置跟我去表演路上看到的位置不一样了。当时我还不知道它叫猎户座。因为当时没有好好读书,所以对自转公转不了解。当时我觉得这个事情很有意思,我就在想为什么猎户座晚上会改变位置呢?我的好奇心没有终止于此。因此,我去读了当地的社区大学,去学习为什么星座会发生这样的移动。我想要去了解我们的宇宙,想知道星座为什么会移动,想知道我们怎么才能够在地球上去打造一些东西,去进入太空。

这种好奇改变了我的一生。如果当年的 Adam 知道现在的 Adam 在做什么工作,他的脑袋肯定要爆炸。我们有时候真的是不知道好奇心会把我们带到什么地方去,这是一个非常有意思的探索。

我们来讲讲火星。很长时间我们都对火星不了解,没有工具的时候,我们望着星空,看到某个星星稍微亮一点、红一点。当我们第一次有原始的望远镜之后,我们看到了生命,我们看到了道路和运河,我们看到了文明的迹象。之后我们有了更好的望远镜,我们也意识到这些都是火星表面的一些自然外观,但是我们从来没有停止思考,也许火星上曾经有过生命,这是一个非常深奥的问题,在宇宙中我们到底是不是唯一的生命呢?在太阳系中是不是唯一的生命呢?我们周围的星球上会不会也存在生命呢?

NASA(美国宇航局)发射了火星探测器,希望能够去解答这个问题——火星上曾经是否存在过生命。

这是不同的火星车原型机,97 年的时候,NASA 发射了简单原始的微波炉大小的航天器——探路者号。这个航天器对于火星探索很重要,相较于之前的海盗号(也是维京号),它的费用只有 1/10。

在这之后,探索没有停止,我们做了很多探索。火星和地球是怎样运转的,我们认为几乎每 26 个月有一次探索的机会,NASA 说我们差不多打算 26 个月去一次,当然我们知道索杰纳号和下一次任务的间隙就超过 26 个月,因为当时过程中也出现了一些问题。如果我们要做的事情挑战非常高,有时候真的会出现状况,这不是坏事情,我觉得这样的失败并没有什么可怕的,可以让我们知道我们能力的边界到底在哪里,我们每次在悬崖边上的时候都会重新去积累力量进行下一次探索。

2004 年,我们发射了两台航天器,这次探索告诉我们在火星表面曾经有过液态水,有了液态水就有生命,这样的发现非常重要。但是水的一些重要性质我们并不了解,比如说它的酸度、碱度,当时只是知道火星上曾经有过液态水,可以承载生命。

之后就有了重达 900 公斤、装满了各种装备的特大探测器——好奇号,仍然是去解答火星是不是存在过生命的问题。怎么把它运送到火星上去,就成了我们的工作。但是很难,这个火星探测器特别大,怎么把它安全的放置在火星的表面,这是一个巨大的挑战。把面包箱大一点,比房子小一点的东西放到火星上去的话,要求我们做好进入、下降和着陆三个步骤。探测器从地球到火星上一开始的速度非常快,差不多每小时达到 1 万英里,当时我们大概是 1.3 万英里/时,它特别快,它的动能可能会造成航天器的溶解和气化,所以我们做了一个保护壳。壳子采用特殊的材料,可以很好地阻挡热能,然后我们会慢慢进行降速,进入火星表面,从原来的 1 万英里/时降到 1 千英里/时,但是还不够,我们得打开超音速降速伞,当时这是最大的超音速降落伞,差不多这个会场的直径大小。降落伞提供 12G 的降速,把速度从 1 千英里/时降到 100 英里/时,但还不够慢,所以我们需要通过火箭进行进一步的降速。大家可以看到任何的成功登陆都经历上述三个阶段,不管我们的设计的火箭多好,传感器多好,都需要考虑到另外一种速度——空气速度,好奇号当时的速度大概是 1.5 英里/时,我们知道它的动能非常非常小,但是这个最后一块的工程设计难度非常大。

我们降落的地点在这儿——盖尔陨石坑,这个降落地点是非常有难度的。位于火星赤道表面,直径大约 2 千公里,陨石坑的下火山,大概会有 500 米高。NASA 要求我们好奇号降落到岩石和顶尖当中的部分,这样的工作每天晚上都让我睡不好觉。每天晚上 2 点半我都醒过来思考。我会把我们特别担心的问题一个个想一遍,团队的问题想一遍,我会慢慢一个问题一个问题梳理,降速伞有了,火箭有了,随着思考进入睡眠状态。有的人数着羊睡觉,我是一边想着怎么在火星上失败一边睡着。

到了接地部分,我们进入了 dark room(思维暗室),我们不知道降落的问题怎么解决。如果我们想要做一件全新的事情,做完全不一样的事情,有的时候我们会发现自己会进入 dark room。

我们尝试了很多努力,一开始是气囊接地,这是之前探测器使用过的索杰纳号着陆方式。但是好奇号因为有 900 公斤重,我们没有任何纤维有 900 公斤的支撑力。我们也想到了托盘式的机械臂设计,比如维京号就是通过机械臂着陆的,但是 97 年到 04 年,关于机械臂出现了一些问题。我们知道机械臂有时候特别容易倾覆,尤其是在一些不平的表面,而且上面还有 900 公斤重的火星车,所以特别容易倾覆。我们希望解决稳定性的问题。我们希望把机器的腿打开,或者增加机械臂的数量,或者能够通过底部(腹部)进行着陆。但是燃油舱是在底部的,是特别容易爆炸的燃料。所以我们对燃油舱的部分进行了保护,全部保护以后也没有办法发射,因为太重了。

2003 年秋天,我们所有人集思广益,希望用创新的方式解决这个问题,看看我们怎么能够一起走出这个 dark room。当时我们提出了替代方案,我们称它为天空起重机(sky crane)。

当我离开 dark room 时,我收获了两件事。

有的时候一些新的想法会让大家觉得你特别疯癫。当时提出这个新想法的时候,我觉得大家都开始不相信我讲的话了。后来我说,优秀的成果和愚蠢的东西,可能在一开始很难区分。什么意思呢?如果一个东西很特别,可能我们没有办法理解,所以会让人产生「这个东西很疯狂」的错觉。我认同这种看法,但又有什么意义呢?因为「疯狂」是疯狂事情的本质,它不会因为个人认知的差异而变得不同。

我们知道真理和疯狂两者是泾渭分明的,但我们的团队却是二者兼具的。因为在地球上没有办法进行实地测试,我们不知道在火星上的成功率有多大。我们可以分析,实际上我们也做了分析,在纸上进行了大量的分析,同时也进行了超过 800 万次的计算机模拟,之后才开始考虑如何发射飞船。如果大家对计算机模拟有了解的话,它其实是没有办法解决因人类思考疏忽造成的问题。如果我们建立了一个飞船登陆的模型,却忘记添加定义这个模型的重要参数,那么计算机是不会告诉你的。你可能获得的模拟结果跟预先考虑的实际场景的结果完全不一样。所以我们当时要求整个团队必须紧绷神经,一起来回答这个问题:我们是不是进行了充分的准备工作,我们做的是否是费力愚蠢的事情。我们来看一段视频。

(视频)

那是一个特别的夜晚。我们的确成功了。好奇号把人类的希望带到了太阳系新的区域,从此人类的脚步也迈出了新探索的一步,进入了全新独立思考的空间。它就是我们的好奇号,它还在火星上持续进行着好奇的探索。

那么 NASA(美国宇航局)接下来要做什么呢?NASA 的好奇心又会把我们再带到什么地方?科学家告诉我们,如果要真正了解火星,必须要把火星的样本带回地球上,而这是一个非常非常困难的工作,但这项工作却是 NASA 要做的事情。我们需要陆续完成多个事情后才能够把火星样本带回来。首先就是 NASA 的「火星 2020 项目」,我是这个项目的首席工程师,我们再来看一段视频。

(视频)

这个探测器和好奇号差不多大小,但是它却可以进行采样的工作。它还配备了一台直升机,这个直升机是我们的技术优势。证明这种直升机技术在火星上同样是能够发挥作用的,也会帮助我们今后能够进行更多、更远的太空探索。结合上面提到的采样和直升机技术,我们可以进行更伟大的探索和尝试,当然我们也做了很多的测试,这些测试告诉我们这些技术的可行性,而在 2020 年,就是 14 个月后,NASA 计划将这个航天器发射到火星上。所以如果我们把所有工作都做好、做对,我们会再次成功回到火星。

好奇号改变了我,甚至改变了我整个人生的轨迹。通过航天器的研发,我们保持了人类本身的好奇心,而因为这种好奇心使我们具备了更高的创新能力,我们的解决方案变得更成功更有竞争力,甚至对未来产生了深远影响。所以我也想请大家问问自己,你们的好奇心,会把你带去哪里?

非常感谢各位的收听。


演讲内容整理:沈知涵、于本一

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