作者：蒋迅 陈友伦 ( Allen Chen ) 来源： 深空网 ) 美国西部时间2012年8月5日夜里10点半（北京8月6日中午1点半），美国航天局的“好奇号”火星车（MSL）经历了惊心动魄的七分钟后成功登陆火星：“着陆确认”(Touchdown confirmed)。在NASA 喷射推进实验室 (JPL) 指挥室里，所有关心这一人类航天史上重大事件的人都注意到了，宣布这一消息的是一位黑头发的亚裔年轻人。他就是华裔陈友伦（Allen Chen）。在整个过程中，陈友伦一直是沉着镇定，清楚地向大家报告着每一分每一秒的情况。让我们来重温一下他在“好奇号”进入火星大气层后的一段记录： “好奇号”的关健七分钟 Vehicle reports entry interface. At this time it will begin pressurizing the propulsion system to increase the thrust of the system. We are standing by for guidance start and the start of guided entry. We are beginning to feel the atmosphere as we go in here. The vehicle has just reported via tones that it has started guided entry. At this time, the vehicle is beginning to steer its way to the target. It's starting its first bank reversal. We have seen peak deceleration. We've passed through peak heating and peak deceleration. It is reporting we are seeing Gs on the order of 11 to 12 Earth Gs. Stand by for parachute deploy. Parachute deploy. Thrusters have been re-enabled. We will control attitude on chute. We are decelerating, about 10 kilometers and descending. We are at 150 meters per second. We are nine kilometers and descending. We have acquired the ground with the radar. Heat shield has separated. We have found the ground. We're standing by to prime the MLE engines in preparation for powered flight. We're down to 90 meters per second at an altitude of 6.9 kilometers and descending. We're down to 86 meters per second (192 mph) at an altitude of four kilometers and descending. We have lost tones from Earth at this time, this is expected. We're continuing on Odyssey telemetry. Standing by for backshell separation. We are in powered flight. We're at an altitude of one kilometer and descending about 70 meters per second. Down to 50 meters per second. 500 meters in altitude, standing by for sky crane. We found a nice flat place. We're coming in ready for sky crane. Down to 10 meters per second, 40 meters altitude. Sky crane has started. Descending at about point 75 meters per second (1.7 mph) as expected. Expecting bridle cut shortly. Touchdown confirmed. We're safe on Mars! 随着“好奇号”的成功落地，陈友伦也让全世界认识了他。特别是上面最后一句话：“Touchdown confirmed. We're safe on Mars!”更是为人传颂，同时人们也更想知道他的传奇人生。 陈友伦与父母 陈友伦的英文名字是“Allen”。因为这个原因，有些人把他称为陈艾伦，我也是费了一番功夫才找到他的中文名字。在此之前还把他的名字和也在JPL的另一位华裔陈哲辉 ( George Chen ) 搞混。陈友伦出生在美国。他的少年时代是在宾州度过的。陈友伦的父亲陈甫和母亲李敏敏都是来自台湾的留美科学家，舅舅 李世昌 是知名的中央研究院院士，普林斯顿大学物理博士。李世昌和荆溪 暠 共同成功研制科学实验设备阿尔法磁谱仪 AMS-02 中的电子系统被用在了国际太空站上。所以陈友伦在这个科学世家里，从小就接受了科学的熏陶。特别是，他在小学时就对太空的奇妙而感兴趣。更可贵的是，在高中的时候他就领悟到，“有的人工作是为了挣钱，而另外一些人则是在做与探索相关的事情。”他暗自想像着，自己就是要去一个纯粹与探索有关的的地方。那时候他对NASA 喷射推进实验室 ( JPL ) 还不了解，对未来也没有一个很清晰的目标，但他少年时的父母的熏陶为他最后到JPL奠定了方向。 他所上的高中“劳伦斯威尔高中”(Lawrenceville School) 就在邻州新泽西州内普林斯顿大学的旁边，而且在全美国名列前茅。在学校里，他并不是一个只读书的学生。虽然他个子不高，但是却喜欢打美式足球，不畏惧高壮球员的冲撞，可以看出他的顽强个性。1996年，一路成绩优异的他顺利考取麻省理工学院 (MIT) 的工学院。在那里，他选择了成为一名机械工程师，因为他发现自己更适合做动手的事情而不是去思考宇宙的奥秘。他的技能很快就得到了航空航天系教授大卫·米勒（David Miller）的赏识。在大四的时候，陈友伦选修了一门米勒 的 课。这是一门历时两个学期并要求学生们合作设计产品的课程。他们要设计的是一个将要送往国际空间站的小型卫星“ SPHERES ”(Synchronized Position Hold Engage Reorient Experimental Satellites)。遇到困难时，同学们总是让他代表小组出面与米勒教授讨论课题的难点。米勒教授回忆到，“陈友伦一点都不害羞，非常专注，并且有决心解决任何问题。”他们的设计原型特别优秀，最终被开发成了一个正在国际空间站上使用的复杂的试验仪器。2000年，陈友伦获得学士学位，接着在米勒教授的指导下攻读了硕士学位。期间，他兼做研究助理，参与在“SPHERES”基础上的研究。2002年硕士毕业后，他顺利进入JPL工作。 开始工作之后，他仍牢记父母的教诲：“教育是没有止境的。你总是希望学到尽可能多的知识，并不因为你走出来教室而停止。”他记得父母甚至在自己已经上了高中的时候还获得了新的学位。因此，他在JPL 工作的同时还在加州大学洛杉矶分校继续攻读MBA并于2007年获得了学位证书。理论上的管理知识提高了他后来指挥火星登陆小组的管理技能。 陈友伦参与向美国民众宣传“好奇号” 来源： Allen Chen 虽然陈友伦是2002年才正式加入JPL的，他到JPL的时间其实从他在MIT读书时就开始了。比如，他参与了JPL的“星光任务”（StarLight Mission）中的光控工程部分。在火星探索的项目中，陈友伦参与了2001年的“ 2001火星奥德赛号 ”( 2001 Mars Odyssey )、“ 火星探测漫游者 ”( Mars Exploration Rover )、“ 火星勘测轨道飞行器 ”( Mars Reconnaissance Orbiter ) 等项目。他在这些项目中，涉猎了探测器落地过程的方方面面，为他以后担当指挥重任积累了实战经验。 陈友伦和他的宝贝“好奇号” “火星探测漫游者”的两台火星车成功之后，陈友伦出任“好奇号”飞行动力和操作首席 (MSL Flight Dynamics and Operations Lead)，负责总协调自控、降落伞、太空吊车、轨道、推力、软件、防热、摄像等多个小组。他从一开始的只有十几人在内的项目筹划就开始参与，到开发高潮期间的上千人，一直到最后指挥“好奇号”在火星落地。最后的进入、降落、落地过程只有七分钟。而他为了这七分钟竟等待了十年。 让我们来看看他这十年是怎么度过的。不过下面我必须把他和他的同事一起来写，因为我很难说清哪样事情是他做的，哪样不是他做的。 设计工作一开始可以说是一张白纸，没有任何部分是所谓的关健部分。虽然美国人在火星探索中已经积累了成功与失败的例子，但“好奇号”毕竟是最大、最重、落地点要求最精的火星车 (关于“好奇号”与其之前的火星车的比较请阅读本人的“ ‘火星科学实验室’和‘火星探测漫游者’之比较 ”)。他们的最原始的目标就是把各种想法放到桌面上，不管这些想法有多么疯狂不切实际。陈友伦说：“我们把想法都放到一张白纸上。你不能说谁的想法是错误的，而是说怎样能让它更好。”然后，他们选出最好的方案，再 对最好的方案继续更严格的分析审核。“审核过程从一个非常开放的，非定量的出发点开始，在设计过程中我们进一步得到更详细的东西。” 他们认为，不能因为过去都是按一定的思路进行的，就认为那个思路是最好的。他们愿意广泛撒网去尝试其他的思路。 最好的一个例子就是登陆过程中的太空起重机。大家都看到了太空起重机是如何通过系链把火星车慢慢降落到了火星表面上的。这个想法来自于直升飞机的天空起重机。陈友伦的团队邀请了一位天空起重机直升飞机的驾驶员到JPL，告诉他们在使用天空起重机中遇到的问题。特别是当搭载物比直升飞机还要重时会出现什么情况。而在这个系统里的反向火箭则是一个早就使用过的技术。所以这是一个新老技术的巧妙结合。 第二个例子是火星车的球面运动跟踪仪。这个仪器来自电影拍摄技术和动漫动作捕捉。传感器反馈到计算机从而跟踪物体运动的技术现在被用来测量火星车移动的速度。其他人已经在相似的问题中找到了很好的解决办法。JPL 的技术人员就创造性地利用这些解决方案，从而最大限度地降低了成本，又解决了自己的困难。 一个重大的难题是探测车的防热外层，原本他们想使用过去“火星探测漫游者”或是“海盗号探测车”所用的材质，但是因为“好奇号”大得多，这种材质不适用，所以他们必须选出新的防热材质。正好NASA阿姆斯研究中心开发了一种全新的防热材质PICA，而且在返回地球的“星尘号” （Stardust）中成功使用 (关于PICA，我在前面的一篇博文里有过介绍，请读：“ 从越南船民到国际一流航天工程设计师 ─ 陈惠女士 ”)。“好奇号”让PICA再一次证明了它的实力。令人惊叹的是，他们的火星降落成像仪（MARDI）拍摄了防热板分离的系列图片(请见我的博文“ “好奇号”防热板分离过程 ”)。 陈友伦说，过去十年的任务是确保“好奇号”的“进入、下降与着陆”顺利。当初就是希望“好奇号”能在预定好的研究地区着陆，以便利用车上装备进行科学研究。他表示，这一路走来，不但探测车的构造改变过，整个计划也多次调整。他形容最终完成的“好奇号”长相“疯狂”，但我不这么看，因为我看起来她来觉得她挺可爱的，完全符合一个外星人的长相，算是外星人里的美少女吧。 可能有人会说，在那最后惊险的七分钟里，陈友伦并没有在指挥“好奇号”，因为在降落的整个过程中，“好奇号”都是自己在执行预先编好的程序。这话没错。陈友伦需要做的就是在好奇号还在地球上就把她该做的事情布置好。除了各种传感器外，光是她的程序就包含了250万行C代码。作为“好奇号”飞行动力和操作首席 (MSL Flight Dynamics and Operations Lead)，他必须对整个“进入、下降与着陆”的所有细节都非常熟悉。这个任务非同小可。就是在“好奇号”飞象火星的路上，他们也不能闲着，而是要随时监视她的飞行路线并即使发出指令做必要的调整。这样的调整指令是在“好奇号”进入火星大气层前一瞬间才结束。 由于电子信号从火星传到地球须要15分钟，所以当JPL得到“好奇号”在最后的“进入、下降与着陆”最后信号时，一切都已经结束了。但是陈友伦他们已经为了这个时刻拼了十年了。“好奇号”就是他们的小婴儿，他们必须在第一时间知道她的情况。为了保持他们与“好奇号”的联系，他们采用了四个联系方式。 首先是“好奇号”与地球的直接联系。“好奇号”的后壳上安装了低增益天线 (Low Gain Antennas)，专门用于“进入、下降与着陆”节段的信号用X-波段频率传送。在地面上则通过NASA的 深空网络 来接收。这样做的好处是直接快洁，坏处是它只能传递MFSK信号，只有256个不同的声调，就像用于心藏监视的ＢＢ声。当然这不是有真正科学意义的数据传递，而只是在“进入、下降与着陆”过程中提供及时的信息。他们把“好奇号”在“进入、下降与着陆”过程中的每一个可能的状态对应于这256种声调，而陈友伦就是通过这些声调来报告“好奇号”。所以他必须熟记这256种信号分别意味着什么状态并要立即用英语报告出来。实际收到了67个ＢＢ声。 在降落伞的帮助下徐徐下降的“好奇号” NASA 后壳即将分离时，低增益天线通讯中断。不过，“好奇号”还安装有UHF信号发射器，可以每秒传送8kb的数据。这个数量足可以让他们在万一失败的时候分析失败的原因。UHF信号由“好奇号”发到正好飞过上空的“火星奥德赛号”，再由“火星奥德赛号”传回地球。这是JPL安排的第二个通讯方法。“火星奥德赛号”总公有12分钟的覆盖时间。第三和第四通讯方法是通过“火星勘测轨道飞行器”和欧洲航天局的“火星快车号”。为了好奇号的安全降落，NASA早就调整了这三颗环绕火星的卫星，使它们都在同一个时刻飞越指定的区域。最后确认“好奇号”成功落地的信号就是由“火星奥德赛号”传回地球的。 让我们举一个例子看他们调动卫星多么准确。大家都见到了“好奇号”在降落伞打开后下降时的照片。这张照片是从“火星勘测轨道飞行器”上的相机在好奇号进入大气层6分钟后拍摄的。但是他们早在三四月份就已经在计划这个环节了。最后的指令是在“好奇号”着陆前两天时才送到“火星勘测轨道飞行器”上。可以想象，他们需要精确地计算好奇号在降落伞之下的时间和地点，然后把火星勘测轨道飞行器在同一时间调动到那里，把镜头的角度调整到预先计算的角度上，而这一切都是事先安排好的。这要多么的准确啊！事实上，经历了570,000,000公里的飞行后，“好奇号”最后着陆点距离预订的目标只有约1.5公里的误差。他们在好奇号离火星还有2百万公里的时候预测了她进入大气层的位置。而实际进入大气层的地点距离预测只有250米。这就是为什么他们能如此准确地拍摄到好奇号降落的照片。GPS小组得益于准确的计算。 在“好奇号”成功登陆火星之后，陈友伦他们并不能轻松下来。他们要继续收集数据，分析数据。虽然好奇号近乎完美地降落在了火星表面，但在整个过程中并不是一点问题都没有。比如使用的燃料略微多了点，大气层的阻力比预计的小了一些，等离子隔绝时间比估计的要短，等等。尽管都不是太大的问题，但找到原因将有助于以后的火星任务的完成。还有一个重要工作就是把全部工作都记录在案，为新生力量提供资讯。 有记者问陈友伦，这次的成功对他个人未来的影响。他仅仅回答说：“肯定有。”然后转了话提：“这一周是让人惊喜的一周。”(Certainly way up there. It has been an amazing week.)。表现出他一位华人的谦逊美德。 2003年8月陈友伦在加州与同样是在2002年硕士毕业而且也在JPL工作的朱丽叶·维茨 (Julie Wertz) 在洛杉矶结婚。他目前已经是两个孩子的爸爸，完成“好奇号”成功着陆的历史性任务之后，接下来更大的挑战应该就是今年12月等着迎接第3个孩子的出生了。陈友伦自小常和父母到台湾探亲，听得懂国台语，但自称表达能力不佳，现在也会带着两个孩子回台湾玩。他说，来自台湾的双亲对他的教育十分重视，这种文化背景绝对影响了他的发展，而他更是以生长在一个科学家族中为一名华裔为荣。 “好奇号”虽然是美国人设计制造出来的，但是 有许多华裔参与了这个宏伟的项目 。陈友伦只是其中一位杰出的代表。其他的还有比如：资深科学家邹哲 (Peter Tsou)、机器人操控工程师严正 (Jeng Yen)、“好奇号”副总工程师刘登凯 (Dan Kai Liu)。大家还应该已经知道，甚至这个火星车的名字都是由一位华裔少年马天琪命名的。请阅读我的文章：“ MSL的火星车由华裔女孩命名，她仅仅是幸运吗？ ”。由于马天琪把自己的中文名字写在了“好奇号”上，所以中文字也随着“好奇号”到达了火星。虽然中国没有能够第一个把汉字送上火星，但我相信，中国一定能第一个把中文声音和中国音乐送上火星。我们期待那一天的到来。 仔细的观众可能在电视上注意到，其实在陈友伦宣布“着陆确认”之前是先得到了“好奇号”总设计师亚旦·施特尔茨纳 (Adam Steltzner) 的指示后发出的。其实，他与施特尔茨纳是同时得到了“好奇号”的成功信号。他一定是出于对施特尔茨纳的尊敬，在施特尔茨纳发出指示后再把这个消息通过话筒传遍了全世界。最后让我们通过几个视频截图来重温当时的激动人心的场面： 亚旦·施特尔茨纳 (Adam Steltzner) 与陈友伦交换了一下眼色。 可以发布了。 陈友伦沉着地宣布：“确认着陆”。 施特尔茨纳与陈友伦紧紧地拥抱 出席记者招待会 “这一周是让人惊喜的一周” 这是笔者【NASA人的故事】系列中的一篇。请继续阅读： 从校篮球队的板凳队员到NASA工程师 她在太空中永生 ── 记美国印裔宇航员卡尔帕娜·乔拉 从小学数学教师到NASA火箭工程师 从美式足球职业运动员到NASA宇航员 MSL 的火星车由华裔女孩命名，她仅仅是幸运吗？ 从越南船民到国际一流航天工程设计师 ─ 陈惠女士 从小小天文学家到哈伯望远镜之母 ─ 南希·罗曼 NASA的盲人黑人工程师马可·米登
作者：蒋迅 圣荷西技术革新博物馆里的全尺寸“好奇号”模型 如果不出意外的话，“ 火星科学实验室 ” (“好奇号”) 预计在今年8月5日登陆火星的盖尔撞击坑，然后开展两年的科学研究。相比过去的火星探测漫游者“ 勇气号 ”（Spirit, MER-A）和“ 机遇号 ”（Opportunity, MER-B）两辆火星车，“好奇号”有什么进步？我们来看一看下面的对照表： compare 火星探测漫游者 ( MER ) 火星科学实验室 ( MSL ) 运载火箭 德尔塔Ⅱ运载火箭 宇宙神5型运载火箭 541 起飞质量 1,050公斤 3,600公斤 主要任物 7月飞行/3月地面 8月飞行/2年地面 搭载 5个仪器 (约9公斤) 10个仪器 (75公斤) 落地系统 原 火星拓荒者 技术/气球 引导进入/天空起重机 落地分解图 防热板直径 2.65 米 (8.5英尺) 4.5 米 (15英尺) 降落伞直径 8.5 米 (28英尺) 15.5 米 (51英尺) 落地通讯 火地直接通讯 + 超高频 火地直接通讯 + 超高频 地面通讯 火星轨道器中继 + 火地直接通讯 火星轨道器中继 + 火地直接通讯 火星车质量 170 公斤 775 公斤 绝热材料 SIRCA PICA 火星车电源 太阳能板/ 0.9度/火星日 放射性同位素热电机/2.5度/火星日 可达泛围 设计600 米，(实际达到数公里) 20 公里 降落椭圆范围 80 x 10-公里椭圆 20-公里直径圆 可达纬度 15 o S to 10 o N 60 o S to 60 o N 可达海拔 -1.3 公里 +2.0 公里 初始速度 19300公里/小时 (12000英里/小时) 21250公里/小时 (13200英里/小时) 落地时间长 6分钟 7分钟 成本 预算8.2亿美元 25亿美元 比较这两个探索任务我们可以很清楚地看到技术的进步：“火星科学实验室”的起飞质量是“火星 探测漫游者”的三倍；搭载仪器从5个增加到10个；火星车质量是以前的4.5倍；电源用核动力替代了太阳能板；设计可达泛围从600米增加到了20公里。当然花费也是火星探测漫游者的三倍。表中看不到还有很多。比如，再如大气层时的制导精度大为增加，使得火星车可以更准确地在指定地点降落；火星车上第一次安装了摄像机 (见： Curiosity's seventeenth camera: MARDI )，使人们可以看到火星车下降和落地时的场面，这使得观看这关键7分钟特别精彩；绝热材料的改进在以前的一篇文章里已经提到。绝热板的尺度是星际任务中最大的，降落伞的尺度也是最大的。 最为精彩的当然是火星车落地过程。这个过程分为进入、降落、落地三个过程。整个过程将持续7分钟，全部是火星车自行控制，JPL的人员甚至都不能“看到”火星车，因为它的信号传送到地球需要14分钟。这14分钟对JPL的人员将是一个煎熬的时 间。如果你有机会看实况转播，建议你不要错过。“火星科学实验室”落地过程开始将是在：美国西海岸时间2012年8月5日夜晚10:31；美国东海岸时间 2012年8月6日凌晨1:31；北京时间2012年8月6日中午1:31。现场直播提前两小时开始。相关阅读有： How Curiosity Will Land on Mars, Part 1: Entry How Curiosity Will Land on Mars, Part 2: Descent How Curiosity Will Land on Mars, Part 3: Skycrane and landing Challenges of Getting to Mars: Curiosity's Seven Minutes of Terror Behind JPL's '7 Minutes of Terror' video on risky rover landing Mars in a Minute: How Hard Is It to Land Curiosity on Mars? Mars in a Minute: How Do You Land on Mars? (three options) The Science of Curiosity: Seeking Signs of Past Mars Habitability 墙内看不到YouTube视频的读者可以直接到JPL的网上去看： http://www.jpl.nasa.gov/video/ 。 “火星科学实验室”的意义不仅在於它的科学意义，更是对新技术的检验。比如，“火星科学实验 室”的降落采用了天空起重机的新技术，因为火星探测漫游者采用的气球技术已经不能适用于它的搭载质量。但为了实现火星的载人之旅，显然火星科学实验室的搭载还是远远不够的。据估计，载人火星之旅必须有效搭载几十吨的物资。按照这个要求，我们可以看到目前运载火箭的推力远远不够，落地方式 (气球和天空起重机) 都不胜任，经费就更不用提了。人类还有生理上、心理上的问题要克服，还要避免强大的辐射。“火星科学实验室”的成功与否将是人类进军火星的重要一环。 尽管NASA对“好奇号”的落地充满信心，他们对存在的危险也是有足够的认识的。比如说火星上的风暴就可能影响火星车的著陆，而且天空起重机也是第一次使用，也增加了一个未知数。所以，“好奇号”有可能成功，也有可能失败。到现在这个时候，没有人能做什么新的努力。但不管是成功还是失败，它带来的影响将是巨大并深远。从历史上看，火星项目的失败都使人们对探索火星产生更强烈的愿望，经过艰苦的努力，最终是成功。从这一点上，笔者认为中国航天界不应该也不会因“ 萤火一号 ”的失利而后退。 现在很多人都说人类要到火星去，似乎人类离移民火星已经不远了其实，我们现在飞往火星甚至缺乏基本的技术。有不少人提出自愿单程去火星，真有壮士一去不复返的味道。但即使单程也谈何容易。 比较“火星科学实验室"和“火星探测漫游者”，我们既看到了进步，也看到了不足，更看到了方向。如果航天业的人士们想要有所创新的话，这是一块最好的领域。请阅读笔者以前发表的有关航天的博文： 移民火星已经不再“遥远” 参与“名字上月球”和“名字上火星”活动 MSL的火星车由华裔女孩命名，她仅仅是幸运吗？ 从越南船民到国际一流航天工程设计师 ─ 陈惠女士 从美式足球职业运动员到NASA宇航员 从小学数学教师到NASA火箭工程师 她在太空中永生 ── 记美国印裔宇航员卡尔帕娜·乔拉 从校队的板凳队员到NASA工程师
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