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重新思考如何登陆火星

重新思考如何登陆火星

作者:钣金加工厂   来源:本站   发布时间:2020-10-02 21:52    浏览量:

  缘于冷战时期的想法以及在荒漠中高风险火箭的测试,美国宇航局(NASA)正在重新启动火星登陆计划。

  在一间狭长的观察室中,约50人聚集在一排落地窗前,齐刷刷地将目光投向窗外的一片沙漠上。沙漠上尘土飞扬,在一组门窗紧闭的车队中,有一辆闪闪发光的超音速滑车混杂在其中,似乎在规避外力冲击引发的碰撞。

  “恐怖7分钟”

  这是加利福尼亚州莫哈韦沙漠的一个美国海军航空武器测试站,一项登陆火星的新技术测试正在这里的中国湖进行,测试结果将直接对火星探测的未来产生影响。

  你可能还记得2012年8月“好奇”号火星车进入火星大气时的“恐怖7分钟”。其中最富戏剧性的一幕是“天空起重机”把“好奇”号投放到火星表面上。“每个人都在观看‘天空起重机’用于下降的降落伞设备。”NASA喷气推进实验室(JPL)的降落伞技术专家伊恩·克拉克(IanClark)说。而令人诡异的是,降落伞未经过严格意义上测试,而“好奇”号则是火星车中最重的一辆。

  未来如果我们继续探索火星其他区域并采集岩石样本返回,那么我们就需要重新思考着陆火星的方式。这就是为什么NASA拨款JPL1.89亿美元对火星着陆系统继续改进——在地球上测试,需要借助直升机、火箭助推器和超音速滑车。克拉克说,你不可掉以轻心,“因为有太多你无法想象的困难会出现。”测试如果失败,则意味着耗资数十亿美元的行星际任务会被取消。

  对于降落伞来说,火星大气过于稀薄无阻力可言,直到距火星表面10公里之内降落伞才可发挥作用。此时,火星着陆器以每小时1600公里的速度急速下落,施加在降落伞上的力则无比巨大。“这就像爆炸一样。”JPL原降落伞设计团队的负责人托马索·里韦利尼(TommasoRivellini)说。

  “好奇”号着陆过程之所以特别令人揪心,是因为其直径21.5米的降落伞在下降中能否顺利展开,或被撕成碎片,或缠着着陆器不停地打转?“你玩的是一个经验外推的游戏,”克拉克说,“这会让每个人都很紧张。”

  如果任务控制员给探测器额外增加1千克载荷的话,降落伞很可能会承受不住。这就是里韦利尼所说的“套娃效应”。额外的载荷,即增加一个1千克的仪器,则意味着就要增加一个容器或扩大探测器外壳,相应的,就会增加3千-4千克载荷,同时还需要一个更大载荷的飞船搭载,这将耗费更多的燃料。偶尔也有例外——例如,将着陆时间安排在大气较为密集的时候,这有助于减缓降落速度。

  尽管载荷并不是唯一的问题,假设在不增加重量的同时允许搭载更多的设备,我们仍然只能在火星的低洼地区着陆——约为火星表面的43%(图1)——这缘于着陆器减速过程缺乏足够的大气厚度,高海拔地区因此被排除在外。然而,正是这些高海拔地区——受水侵蚀较少、更加古老的地貌特征——更可能揭示出火星的早期历史。JPL降落伞项目负责人马克·阿德勒(MarkAdler)说:“那里才是我们真正想去的地方。”

  气动减速器

  面对这些局限,里韦利尼和克拉克意识到,唯一的选择就是重新构建火星着落系统,理由似乎很充分,因为以前尝试引入新式降落伞曾有过失败的教训。例如,2003年英国“小猎犬2”号火星着陆器因计算显示着陆过程会过于剧烈,故在最后时刻增大了降落伞50%的表面积。而这个降落伞被许多人认为是导致“小猎犬2”号坠毁的一个可能原因。

  按照程序,应该对新式降落伞性能进行风洞测试,但世界上没有如此大的风洞测试设备。“降落伞本身也就几十万美元,”克拉克说,“而花在测试上的钱则是巨大的。”任务设计者们不愿意给项目额外增添不必要的预算。里韦利尼和克拉克进退两难。2010年情况有了变化,新的资金推进了基础技术的研发。2011年,降落伞研发团队赢得了1.89亿美元研发资金。

  在“天空起重机”之前,里韦利尼曾研究过“好奇”号安全着落的多种方案,包括一个玻璃钢制成的四面体外壳,以及他于1997年设计的一个葡萄串样式的弹性气囊——这个弹性气囊使得“火星探路者”成功着陆火星。然而,没有一个完备的能承载更重设备的降落伞设计方案。

  令人欣慰的是,克拉克从上世纪60年代一个便被搁置的超音速气动减速器(SIAD)项目中找到了灵感。SIAD60年代被测试过,却从未真正使用过。本质上,SIAD是一个直径6米用布料织成的轮圈,在减速过程中可以弥补防热衬和降落伞之间的落差。计算显示,紧贴防热衬下部的SIAD可以减缓下降速度,足以让一个直径30.5米的降落伞安全打开(图2)

  揪心的测试

  2012年10月,测试在中国湖上开始了。一架看似无翼机身的超音速滑车与装置被放置在超音速海军军械研究轨道(SNORT)的导轨上。SNORT通常是用来测试在超音速条件下飞机的弹射座椅、导弹撞击以及装甲车辆的穿透性。此时,捆绑在装置背面的火箭发动机有望把滑车速度增加到8.5马赫,使其成为地球上速度最快的车辆之一。

  尽管SNORT无法达到火星降落时的速度,但呼啸而来的正对SIAD表面的空气却会产生比火星大得多的阻力。“与火星大气的气动力学不同,地球大气要密集得多,”克拉克说。同时他也担心这个改进的装置会失败。因为在60年代,研究者们对火星大气的特性知之甚少,当时他们假设火星大气同地球的类似。

  除了枯黄的沙地灌木丛在微风中摇摆着枝条以外,超音速滑车的周围一片寂静。此时是到了该检验成果的时候了。在观察室里,当操作人员按下按钮后的瞬间,一条长达50米长的烈焰从SNORT上的6台火箭发动机后面喷涌而出。几乎是同时,观察室的钢化玻璃窗被雷鸣般的冲击波震得格格作响以及车辆警报器发出的一片嗡嗡声响。

  此时,这个咆哮的“怪物”已加速到每小时400公里,而SIAD就像似一个张开大嘴的牛蛙直面扑来的冲击波,其过程只有几分之一秒。在观察室里,一排排显示器正播放着摄像机捕捉到的现场画面。

  为了了解SIAD的性能,工程师们使用了一种称作摄影制图法的技术,用以检测SIAD织物上由手工精细绘制的成百上千个排列规整的黑点。克拉克、阿德勒和里韦利尼的眼光紧紧盯着同一个屏幕,仔细观看着用慢镜头播放的SIAD展开画面,还时不时地暂停、回放、再暂停、再回放。

  “偏差在厘米量级上。”克拉克在电话中说。他的脸上露出了笑容,这意味着实验取得了阶段性的成功。但下一阶段的测试会更加困难,接下来要对直径30.5米的降落伞进行测试,它比“好奇”号用的宽9米,表面积是“好奇”号的两倍。

  40年的历程

  2013年10月,JPL团队将再次来到中国湖,由一架直升机首次把降落伞带到距地面3000英尺的高空:降落伞与一根由加强版的凯夫拉材料制成的系绳与SNORT相连,火箭点火后将会产生56万牛顿拉力把降落伞拽回地面。如果降落伞、系绳的释放时间以及火箭点火时间没有精确计算好的话,其冲击波很可能扰乱直升机旋翼的运转并导致机毁人亡。

  2013年6月,减速器和降落伞搭载气球被运送到夏威夷考艾岛的太平洋导弹靶场上空的平流层中。如果一切顺利的话,在12万英尺上,一台48BV型固体燃料火箭发动机——驱动“火星探路者”以及“凤凰”号火星着陆器的第三级引擎——将会点火并把整个装置再往上抬升4万英尺。钣金机箱编辑分析在这一高度,大气的密度类似于火星大气。减速器和降落伞在火箭发动机的牵引下以4马赫的速度飞行并依次展开。

  这一切将要耗资1.89亿美元。尽管这看似是一个庞大的花销,但阿德勒却把它视为一项长期投资。上世纪60-70年代进行的第一轮降落伞测试为美国40年的火星探测奠定了基础。他说:“我们认为降落伞项目也会有同样丰厚的成果。”

  对于JPL而言,NASA对该项目的支持被视为活力复苏的象征:是时候该重新思考一些大事了。这也意味着火星取样返回和载人登陆任务最终会被摆在桌面上。

  回到中国湖,在超音速滑车等仍在冒烟的火箭残骸现场,技术人员利用吊车和缆绳,正慢慢地把加速器从装置上分离。此刻,克拉克、里韦利尼和阿德勒在装置周围盘算着:美国火星探测的未来可能就靠它了。

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