重新思考如何登陸火星

          時間:2020-10-02 21:52

            緣于冷戰時期的想法以及在荒漠中高風險火箭的測試,美國宇航局(NASA)正在重新啟動火星登陸計劃。

            在一間狹長的觀察室中,約50人聚集在一排落地窗前,齊刷刷地將目光投向窗外的一片沙漠上。沙漠上塵土飛揚,在一組門窗緊閉的車隊中,有一輛閃閃發光的超音速滑車混雜在其中,似乎在規避外力沖擊引發的碰撞。

            “恐怖7分鐘”

            這是加利福尼亞州莫哈韋沙漠的一個美國海軍航空武器測試站,一項登陸火星的新技術測試正在這里的中國湖進行,測試結果將直接對火星探測的未來產生影響。

            你可能還記得2012年8月“好奇”號火星車進入火星大氣時的“恐怖7分鐘”。其中最富戲劇性的一幕是“天空起重機”把“好奇”號投放到火星表面上。“每個人都在觀看‘天空起重機’用于下降的降落傘設備。”NASA噴氣推進實驗室(JPL)的降落傘技術專家伊恩·克拉克(IanClark)說。而令人詭異的是,降落傘未經過嚴格意義上測試,而“好奇”號則是火星車中最重的一輛。

            未來如果我們繼續探索火星其他區域并采集巖石樣本返回,那么我們就需要重新思考著陸火星的方式。這就是為什么NASA撥款JPL1.89億美元對火星著陸系統繼續改進——在地球上測試,需要借助直升機、火箭助推器和超音速滑車??死苏f,你不可掉以輕心,“因為有太多你無法想象的困難會出現。”測試如果失敗,則意味著耗資數十億美元的行星際任務會被取消。

            對于降落傘來說,火星大氣過于稀薄無阻力可言,直到距火星表面10公里之內降落傘才可發揮作用。此時,火星著陸器以每小時1600公里的速度急速下落,施加在降落傘上的力則無比巨大。“這就像爆炸一樣。”JPL原降落傘設計團隊的負責人托馬索·里韋利尼(TommasoRivellini)說。

            “好奇”號著陸過程之所以特別令人揪心,是因為其直徑21.5米的降落傘在下降中能否順利展開,或被撕成碎片,或纏著著陸器不停地打轉?“你玩的是一個經驗外推的游戲,”克拉克說,“這會讓每個人都很緊張。”

            如果任務控制員給探測器額外增加1千克載荷的話,降落傘很可能會承受不住。這就是里韋利尼所說的“套娃效應”。額外的載荷,即增加一個1千克的儀器,則意味著就要增加一個容器或擴大探測器外殼,相應的,就會增加3千-4千克載荷,同時還需要一個更大載荷的飛船搭載,這將耗費更多的燃料。偶爾也有例外——例如,將著陸時間安排在大氣較為密集的時候,這有助于減緩降落速度。

            盡管載荷并不是唯一的問題,假設在不增加重量的同時允許搭載更多的設備,我們仍然只能在火星的低洼地區著陸——約為火星表面的43%(圖1)——這緣于著陸器減速過程缺乏足夠的大氣厚度,高海拔地區因此被排除在外。然而,正是這些高海拔地區——受水侵蝕較少、更加古老的地貌特征——更可能揭示出火星的早期歷史。JPL降落傘項目負責人馬克·阿德勒(MarkAdler)說:“那里才是我們真正想去的地方。”

            氣動減速器

            面對這些局限,里韋利尼和克拉克意識到,唯一的選擇就是重新構建火星著落系統,理由似乎很充分,因為以前嘗試引入新式降落傘曾有過失敗的教訓。例如,2003年英國“小獵犬2”號火星著陸器因計算顯示著陸過程會過于劇烈,故在最后時刻增大了降落傘50%的表面積。而這個降落傘被許多人認為是導致“小獵犬2”號墜毀的一個可能原因。

            按照程序,應該對新式降落傘性能進行風洞測試,但世界上沒有如此大的風洞測試設備。“降落傘本身也就幾十萬美元,”克拉克說,“而花在測試上的錢則是巨大的。”任務設計者們不愿意給項目額外增添不必要的預算。里韋利尼和克拉克進退兩難。2010年情況有了變化,新的資金推進了基礎技術的研發。2011年,降落傘研發團隊贏得了1.89億美元研發資金。

            在“天空起重機”之前,里韋利尼曾研究過“好奇”號安全著落的多種方案,包括一個玻璃鋼制成的四面體外殼,以及他于1997年設計的一個葡萄串樣式的彈性氣囊——這個彈性氣囊使得“火星探路者”成功著陸火星。然而,沒有一個完備的能承載更重設備的降落傘設計方案。

            令人欣慰的是,克拉克從上世紀60年代一個便被擱置的超音速氣動減速器(SIAD)項目中找到了靈感。SIAD60年代被測試過,卻從未真正使用過。本質上,SIAD是一個直徑6米用布料織成的輪圈,在減速過程中可以彌補防熱襯和降落傘之間的落差。計算顯示,緊貼防熱襯下部的SIAD可以減緩下降速度,足以讓一個直徑30.5米的降落傘安全打開(圖2)

            揪心的測試

            2012年10月,測試在中國湖上開始了。一架看似無翼機身的超音速滑車與裝置被放置在超音速海軍軍械研究軌道(SNORT)的導軌上。SNORT通常是用來測試在超音速條件下飛機的彈射座椅、導彈撞擊以及裝甲車輛的穿透性。此時,捆綁在裝置背面的火箭發動機有望把滑車速度增加到8.5馬赫,使其成為地球上速度最快的車輛之一。

            盡管SNORT無法達到火星降落時的速度,但呼嘯而來的正對SIAD表面的空氣卻會產生比火星大得多的阻力。“與火星大氣的氣動力學不同,地球大氣要密集得多,”克拉克說。同時他也擔心這個改進的裝置會失敗。因為在60年代,研究者們對火星大氣的特性知之甚少,當時他們假設火星大氣同地球的類似。

            除了枯黃的沙地灌木叢在微風中搖擺著枝條以外,超音速滑車的周圍一片寂靜。此時是到了該檢驗成果的時候了。在觀察室里,當操作人員按下按鈕后的瞬間,一條長達50米長的烈焰從SNORT上的6臺火箭發動機后面噴涌而出。幾乎是同時,觀察室的鋼化玻璃窗被雷鳴般的沖擊波震得格格作響以及車輛警報器發出的一片嗡嗡聲響。

            此時,這個咆哮的“怪物”已加速到每小時400公里,而SIAD就像似一個張開大嘴的牛蛙直面撲來的沖擊波,其過程只有幾分之一秒。在觀察室里,一排排顯示器正播放著攝像機捕捉到的現場畫面。

            為了了解SIAD的性能,工程師們使用了一種稱作攝影制圖法的技術,用以檢測SIAD織物上由手工精細繪制的成百上千個排列規整的黑點??死?、阿德勒和里韋利尼的眼光緊緊盯著同一個屏幕,仔細觀看著用慢鏡頭播放的SIAD展開畫面,還時不時地暫停、回放、再暫停、再回放。

            “偏差在厘米量級上。”克拉克在電話中說。他的臉上露出了笑容,這意味著實驗取得了階段性的成功。但下一階段的測試會更加困難,接下來要對直徑30.5米的降落傘進行測試,它比“好奇”號用的寬9米,表面積是“好奇”號的兩倍。

            40年的歷程

            2013年10月,JPL團隊將再次來到中國湖,由一架直升機首次把降落傘帶到距地面3000英尺的高空:降落傘與一根由加強版的凱夫拉材料制成的系繩與SNORT相連,火箭點火后將會產生56萬牛頓拉力把降落傘拽回地面。如果降落傘、系繩的釋放時間以及火箭點火時間沒有精確計算好的話,其沖擊波很可能擾亂直升機旋翼的運轉并導致機毀人亡。

            2013年6月,減速器和降落傘搭載氣球被運送到夏威夷考艾島的太平洋導彈靶場上空的平流層中。如果一切順利的話,在12萬英尺上,一臺48BV型固體燃料火箭發動機——驅動“火星探路者”以及“鳳凰”號火星著陸器的第三級引擎——將會點火并把整個裝置再往上抬升4萬英尺。鈑金機箱編輯分析在這一高度,大氣的密度類似于火星大氣。減速器和降落傘在火箭發動機的牽引下以4馬赫的速度飛行并依次展開。

            這一切將要耗資1.89億美元。盡管這看似是一個龐大的花銷,但阿德勒卻把它視為一項長期投資。上世紀60-70年代進行的第一輪降落傘測試為美國40年的火星探測奠定了基礎。他說:“我們認為降落傘項目也會有同樣豐厚的成果。”

            對于JPL而言,NASA對該項目的支持被視為活力復蘇的象征:是時候該重新思考一些大事了。這也意味著火星取樣返回和載人登陸任務最終會被擺在桌面上。

            回到中國湖,在超音速滑車等仍在冒煙的火箭殘骸現場,技術人員利用吊車和纜繩,正慢慢地把加速器從裝置上分離。此刻,克拉克、里韋利尼和阿德勒在裝置周圍盤算著:美國火星探測的未來可能就靠它了。

          文章來源: http://www.ichpuchtli.com

          原文地址:/gsxw/15458.html

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