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频道:好莱坞娱乐圈 日期: 浏览:221

听起来或许难以幻想,太阳系中人类拜访最多的地外行星——火星——竟然是太阳系中最难拜访的当地之一,特别是假如你想带上许多行李。

艺术家笔下火星科学试验室进入绕火星轨迹(图片来历:NASA/喷气推动试验室)

跟着人类的大志日益增长,咱们开端考虑差遣宇航员探究火星——乃至或许现已开端未来的殖民活动。这都需求咱们处理太空探究中最大的问题之一—要将重型有用载荷成功送达并下降在火星外表真的很难!

登陆火星存在许多应战,包含缺少保护性的磁场,较低的引力,以及冰冷的温度。还有便是火星大气的二氧化碳成分很高。假如你不穿太空服站在火星外表的话,即便不被冻死也会因为缺氧而窒息。

但与上述困难比较,最大的问题却是火星大气实在太淡薄,以至于火星上的气压不到地球的1%。事实证明,这种淡薄的大气使得将很多有用载荷安全地降到赤色星球外表变得十分具有应战性。事实上到现在为止,只需53%的火星使命是按计划正常运作的。

在这篇文章里,我将回忆那些之前的火星使命,而且详细描述载人探究火星的详细应战。

登录火星是最糟的

历史上,飞往火星的使命根本会在每两年一次的火星发射窗口期间从地球发射。这段时间发射的飞翔器从地球飞往火星的道路相对最短,所需求的时间也相对最少。欧洲空间局和俄罗斯宇航局联合研发的ExoMars榜首部分于2016年3月14日发射升空,当年10月进入火星轨迹;美国宇航局的火星观察者(Insight)在2018年5月5日发射升空,并于当年11月26日在火星外表成功着陆;美国宇航局的火星2020巡游者(Mars 2020 rover)将于2020年7月17日发作,计划在2021年2月18日在火星着陆。这些使命都遵从行星间搬运轨迹,旨在以最快或最少的燃料抵达目的地。

当宇宙飞船进入火星大气层时,它的速度抵达每小时数万公里。在陡峭地下降在赤色星球外表之前,它有必要经过某种办法进行减速。

艺术家对火星观察者着陆器进入火星开端进入、下降和着陆(EDL)阶段的幻想图(图片来历:NASA)

在地球上,咱们能够运用厚厚的地球大气层来减缓下降,运用隔热罩下降飞船速度。现已退役的航天飞机的隔热瓦便是规划用于吸收再入大气层所发作的空气冲突热量,从而将这个重达77吨的轨迹飞翔器的时速从每小时两万八千公里降到零。相同的技能也适合于在金星和木星登陆,因为它们具有和地球相似的稠密大气层。

在没有任何大气的月亮上下降也是相对简略的。在没有任何大气层的状况下,不需求隔热罩,只需运用推动器来减慢速度,下降轨迹,直到在地上上着陆。只需带着满足的推动剂,咱们就能够平稳下降。

回到火星勘探使命。一般状况下,飞船会以每小时20,000公里左右的速度进入其淡薄的大气层。咱们既不能选用地球上的下降战略,经过大气冲突和阻力令飞船降速,又不能采纳月球上的下降战略,彻底依托飞船推动器减速。火星上常常发作的沙尘暴,将进一步添加咱们的下降难度。

“猎奇(Cuirisity)”号火星勘探器已是其时技能极限

传统上,火星勘探使命开端下降时,飞船的整流罩会协助削减一些飞船的飞翔速度。有史以来,送往火星外表最重的勘探器是美国宇航局在2011年11月26日在卡纳维拉尔角发射的“猎奇(Cuirisity)”号火星周游车,它的总重抵达2200磅(约1吨)。当它在第二年的8月6日进入火星大气层时,飞船的速度为每秒5.9公里,即每小时22,000公里不到一点。

猎奇号是迄今为止发射到火星的最大的飞翔器,最利益有4.5米。它那巨大的整流罩有必定的歪斜视点,答应飞船在进入火星的淡薄大气层时进行机动,以便在选定的着陆区着陆。

在距火星外表大约131公里的高度,飞船的推动器开端焚烧,将飞船调整到一个完美的着陆轨迹。在经过大约80秒的大气层飞翔后,隔热罩上的温度升至2100摄氏度。为了不让飞船焚毁,隔热罩运用了一种称为酚醛浸渍碳炙烤(Phenolic Impregnated Carbon Ablator,PICA)的特别资料。趁便提一下,SpaceX在载人“龙”飞船上运用了相同的资料。

猎奇号登陆器进入火星大气直到翻开下降伞示意图

当飞船的速度减慢到低于2.2马赫后,飞船会开释一个直径16米,为火星使命缔造过的最大下降伞。这个下降伞能够发作29,000公斤的阻力,进一步下降飞船的下降速度。下降伞的悬挂线由Technora芳纶纤维和凯夫拉(Kevlar)制成,这是咱们所知道的迄今为止最强和最耐热的资料。

然后它扔掉了下降伞,并运用火箭发动机进一步减缓飞船的下降速度。当它离火星地表满足挨近时,猎奇号运用了一个空中吊车,将火星车慢慢地下降到地上。

猎奇号扔掉下降伞,开释空中吊车,最终着陆示意图

上面是猎奇号着陆进程的一个简略版别。假如你想全面了解猎奇号登陆火星的状况,我强烈建议你去读一读由Emily Lakdawalla写的《猎奇号的规划和工程缔造》(美亚上有购买)一书。

猎奇号运用空中吊车完结火星周游车着陆的最终一步(艺术幻想图来自NASA喷气推动试验室)

相同的技能不能被扩大运用

可是猎奇号只需一吨重。咱们或许会问,经过运用更大的气动整流罩,更大的下降伞,更大的空中吊车是不是就能够将更重的飞船下降到火星外表呢?从理论上讲,SpaceX“星舰(Starship)”能够把重达100吨的人员和货品送到火星外表。

艺术家笔下的SpaceX“星舰”幻想图(图片来历:SpaceX官网)

这便是问题所在。猎奇号在火星大气中减速的办法不能被有用的扩大,以便运用在更重的登陆飞船上。

首要,让咱们从下降伞开端吧。说实话,1吨重的猎奇号大概是能够运用下降伞下降的最大分量。工程师现在找不到任何资料能够接受下降更重飞船所需求的减速负载。

几个月前,美国宇航局的工程师们刚刚庆祝了先进超音速下降伞翻开研讨试验(Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment,ASPIRE)的成功测验。这是将用于火星2020(着陆器称号:火星2020巡游者)勘探使命的下降伞。

技能人员把由尼龙,Technora芳纶纤维和凯夫拉等先进复合资料制成的下降伞放在一个探空火箭里,并将其发射到37公里的高度,仿照太空船抵达火星时的体会。该下降伞在几分之一秒内被开释,并彻底翻开,期间阅历了32,000公斤的拉力。幻想一下,假如你其时在飞船上,那么你接受的拉力相当于系着安全带以每小时100公里的速度撞到墙面时遭到的拉力的3.6倍。恕我直言,你在这种状况下会直接挂掉。

忘了乘客本身,现在也没有任何复合资料织物能够制作出一个下降伞,来接受更重的飞船发作的减速拉力。

美国宇航局一直在测验不同的办法,以便在火星上着陆更重,例如多达3吨,的有用载荷。

一个办法被称为低密度超音速减速器(Low Density Supersonic Decelerator,LDSD)。该主意是运用一个更大的空气动力学减速器,当它进入火星引力规模时会像充气城堡相同在航天器周围充气。

低密度超音速减速器(LDSD)的艺术幻想图(图画来历:NASA)

2015年,美国宇航局实践测验了这项技能,在一个探空气球上装载了一艘原型飞船。该原型飞船在36公里高空点着了本身的固体火箭,将其持续推送到海拔55公里处。在向上飞翔的一起,它将超音速充气式空气动力减速器(Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator)充气至直径6米(或20英尺)。然后,该减速器把飞船减速至2.4马赫。不幸的是,在试验的最终阶段,它的下降伞未能正确开释,飞船最终坠入太平洋。

但这依然是一个重大胜利。假如咱们能够真实完结工程缔造,并能够在物理上证明其在火星环境中可行。那么有朝一日,咱们能够看到3吨重的宇宙飞船在火星外表下降。

更多的推动剂,更少的货品

添加火星着陆分量的下一个主意是运用更多的推动剂。理论上,咱们能够带着更多的燃料。当抵达火星后,发动火箭发动机将速度彻底降到零。当然,问题在于用于减速的质量越大,实践能够下降在火星外表的有用载荷质量就越小。

估计SpaceX的“星舰”将运用这种反推式着陆将100吨的负载下降到火星外表。因为采纳更直接,更快的途径,“星舰”将以超越8.5公里/秒的速度进入火星大气层,然后运用空气动力来减速。当然,它实践并不需求这么快。星舰能够运用空中制动,经过屡次穿过高层大气以削减速度。事实上,这是前往火星的轨迹太空船所运用的减速办法。可是运用这种办法的话,船上的乘客就需求花费数周的时间等宇宙飞船减速并进入火星周围的轨迹,然后再下降到大气层。

艺术家笔下SpaceX的“星舰”在火星下降(图画来历:SpaceX)

依据埃隆∙马斯克的说法,他处理这些热量令人愉快的,不直观的战略是用不锈钢制作飞船。然后经过散布在外壳上的小孔将甲烷燃料排出,以坚持飞船的顶风面冷却。

瞄准地上,在最终一分钟拉起来

把飞船减速并下降到火星外表的燃料每多一公斤,能够带到地上的货品就少一公斤。要处理这一问题,就需求一些新的思路。

最近,伊利诺伊大学厄巴纳∙香槟分校航空航天系的一项新研讨标明,未来的火星使命能够运用更挨近火星外表的更稠密大气层。研讨人员在一篇题为《火星飞船高弹道系数下降轨迹选项》的论文中提出,飞向火星的飞船不需求急于削减它们的速度。当飞船进入大气层时,它依然能够发作很多的气动升力,能够用来引导它穿过大气层。

他们进行了核算,发现抱负的视点是让飞船笔直下降直接爬升向地上。然后,在最终时间,运用气动升力向上拉升,在大气的最厚部分向侧方移动。这会添加阻力,使飞船在发动下降引擎并完结动力着陆之前,减去其大部分的速度。

现在来看,这是一个值得深入研讨的风趣主意。

总结陈词

假如人类想在火星外表树立一个可行的未来,咱们将需求处理这个问题。咱们需求开发一系列技能,使登陆火星愈加牢靠,安全,和有用。