火星着陆的双保险：新型减速装置 缓冲着陆技术
<p align="center"></p><p> 6月2日，美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室对低密度超音速减速器（LDSD）太空飞船进行了第二轮试验发射，这是NASA 2025年将人类送上小行星和2030年将人类送上火星计划的一部分。</p><p> 低密度超音速减速器（LDSD）是确保较大质量航天器在火星表面精确着陆的重要技术内容，既可以为将来载人和机器人火星任务发挥重要作用，还可以为大型航天器安全返回地球提供技术保障。</p><p> <strong>火星着陆难题</strong></p><p> 登陆火星已经成为时下最热门的太空探险计划之一，然而，人类仍需克服机械设备登陆并在火星展开探索任务的一系列技术问题。</p><p> 中国火星探测器减速着陆技术研究专家、北京空间机电研究所研究员荣伟在《火星探测器减速着陆技术分析》一文中介绍，火星上的大气非常稀薄，平均大气密度仅相当于地球的1％，因此，空气阻力非常小。那么，火星探测器依靠其自身气动外形进行减速时，相比地球上的飞行器需要在高度更低时才能达到明显的减速效果。</p><p> “留给减速着陆系统剩余部分的时间缩短，可能导致进入器没有充足时间做着陆准备。同时，火星大气密度是随火星年不断变化的，这也使得很难研制出一种通用的减速着陆系统方案来适应所有火星大气环境的需要。”</p><p> 截至目前，飞往火星的最大探测器“好奇”号成功登陆，让人们看到了踏上火星的希望。但是，如果要让人类真正踏上火星表面，需要的太空舱重量将远远超过“好奇”号。</p><p> 为了承载巨大的负荷以满足在火星表面长期停留的需要，而且必须以更快的速度飞过去并返回，以尽量减少人类暴露在宇宙射线中的时间，太空飞船在到达目的地时就需要使用新的减速着陆器，有效地抵消高速飞行和高负荷带来的加速度。</p><p> 2011年，美国航空航天局在“太空技术项目”（STP，旨在获得用于未来探索小行星、火星或更远星体任务时所必需的新技术和能力）中设置了“低密度超声速减速器”技术验证任务，并希望通过对该项技术的验证，提高超声速段减速性能，掌握新的大质量火星软着陆减速技术和能力。该技术也是美国航空航天局在火星进入、下降与着陆技术领域正在开发验证的技术之一。</p><p> <strong>新型减速装置</strong></p><p> 针对未来火星探测任务中大质量有效载荷着陆问题，美国航空航天局在制订探测器进入、下降与着陆过程中的减速方案时，将超声速充气式气动减速器（SIAD）和大型超声速环帆伞作为了“低密度超声速减速器”的核心减速装置。</p><p> 《国际太空》杂志一位不愿透露姓名的专家告诉《中国科学报》记者，为了提高超声速飞行阶段的减速效果，关键是减速器需要尽可能采用大尺寸结构增加阻力面积。</p><p> “充气式气动结构减速器在发射和飞行过程中保持在未充气状态，而在进入气动减速前，利用气体发生器快速对充气结构进行充气，使其迅速膨胀，从而增大阻力面积，实现减速的目标。”</p><p> 据该专家介绍，本项目将分别验证直径6m的圆环型SIAD-R减速器和直径8m的等张力面型SIAD-E减速器。尽管两种减速器的构型和尺寸不同，但其作用均是在火星稀薄大气环境中通过充气膨胀增加着陆器的气动阻力，对超声速（马赫数为3.5以上）飞行的着陆器进行气动减速，最终使飞行速度下降至约马赫数为2，达到降落伞安全展开的条件。</p><p> 在目前已经成功实施的火星探测器减速着陆系统方案中，都包括超声速伞减速的部分。但是，《火星探测器减速着陆技术分析》指出，“降落伞在超声速条件下存在开伞困难、开伞不稳定、阻力系数下降等问题”。</p><p> 美国曾对低密度条件下超声速降落伞进行研究，包括环帆伞、十字形伞、盘缝带伞。经过多个方案比较后，单个、不收口的盘缝带伞作为气动减速装置，被认为是在满足系统设计要求下最简单的方案。它能够适应火星大气稀薄的环境以及超声速开伞的条件，并一直被美国火星探测减速着陆系统所采用。</p><p> 《国际太空》杂志不愿透露姓名的专家则表示，2012年在火星表面着陆的好奇号采用的降落伞直径为21.5m，开伞速度马赫数为1.77，已经达到了盘缝带降落伞的尺寸极限。</p><p> “与以往的火星着陆器不同，采用尺寸更大的环帆伞与盘缝带降落伞相比，环帆伞的开伞冲击载荷较小、稳定性好，具有相当高的可靠性。”他说，美国载人飞船着陆系统的主伞都采用这种环帆伞结构。</p><p> 因此，美国喷气推进实验室综合考虑减速效率、稳定性和超声速环境下的开伞效果等因素，最终决定采用质量100kg、直径30.5m的超声速环帆伞，其开伞速度可达马赫数为2，面积几乎是好奇号的2倍。</p><p> <strong>缓冲着陆技术</strong></p><p> 在“低密度超声速减速器”之前，“勇气”号、“机遇”号、“好奇”号还采用了其他的减速、缓冲方法。“勇气”号、“机遇”号探测器使用了缓冲气囊进行保护。在降落最后阶段时，释放出气囊。登陆舱撞击火星表面后会反复弹起，能量耗尽后，才最终落定。</p><p> 但是，由于火星的引力和气压都远小于地球，因此，反弹的距离非常高。这不仅不利于探测器的精确着陆，一旦气囊破损，还可能造成探测器的损毁。</p><p> 因为火星车的质量太大，无法使用传统的安全气囊进行软着陆，“好奇号”为了将着陆时的冲击力减到最低，使用了一种被称作“天空起重机（Sky Crane）”的辅助设备助降。</p><p> 在经过大气摩擦减速和降落伞减速后，“天空起重机”开启8台反冲推进发动机，进入有动力的缓慢下降阶段。当反冲推进发动机将速度降至大约每秒0.75米之后，几根缆绳将“好奇”号从“天空起重机”中吊出，悬挂在下方。距离地面一定高度时，缆绳会被自动切断，“天空起重机”随后在距离“好奇”号一定安全距离范围内着陆。</p><p> “尽管‘好奇’号的着陆方式是目前为止最精确的，但是‘低密度超声速减速器’有望将火星表面软着陆质量提高至2～2.7吨。”该专家强调，如果通过“低密度超声速减速器”技术发展的减速器，同时再采用4～5个降落伞组成的多伞系统，甚至可以使火星表面软着陆质量提升至最高15吨。</p><p> 除此之外，由于新型减速器减速效果的提升，还可以减少火星着陆器气动减速的飞行距离，为高海拔地区着陆提供可能，从而大大增加火星表面可探测区域。</p><p> 链接</p><p> “低密度超声速减速器”首次测试</p><p> 2014年6月28日，美国航空航天局第一次对“低密度超声速减速器”技术进行了一系列平流层试验。利用平流层大气环境模拟探测器进入火星大气时所处的环境，验证整个超声速减速技术的减速效果。为此，美国航空航天局专门研制了用于技术试验的“超声速飞行气动试验”飞行器和平流层气球等装置。</p><p> 低密度超声速减速器直径约4.57米，在整个试验过程中，一个巨大的氦气球在2~3小时内将一个携带充气式内置管型减速器和减速伞系统的大型飞碟状飞行器，送到3.66万米的高空，并与之分离。随后，火箭助推器将其以3.8倍音速推送至约5.5万米的高度。</p><p> 随着高度下降，飞行器启动了一个环形管状装置，名为超音速充气式气动减速器。这一装置迅速膨胀，能将飞行器速度减至2.5倍音速。</p><p> 按计划，飞行器最终还应打开一个直径33米的巨型超音速降落伞，进一步完成减速，并降落在指定水域。但是，降落伞在测试中未能充分展开，部分缠绕在一起。</p><p> 尽管这并不是一次完美无误的测试，但美国宇航局工程师认为，这次测试有助于研究人员分析数据、掌握情况，从而把这些经验应用到下一次测试中。</p><br />
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