往火星送大件 怎一个难字了得

探趣吧 2019-03-26 20:22:17 浏览 21504

火星是一颗非常有趣的星球,但同时也是太阳系内最难造访的星球之一,尤其是携带大量“行李”的情况下。

这颗红色星球向来是探索任务的坟地,很多飞船最终都命丧火星之手。不过,我们仍希望对火星进行载人探索,未来甚至要将火星打造成人类的殖民地。为了实现这个梦想,我们需要战胜一系列挑战,其中一个便是具备运送重型负荷的能力。

艺术概念图,“洞察”号着陆器进入火星大气层

向火星运送重型负荷,这话说起来容易,做起来却难如登天。火星任务面临诸多挑战,包括缺少保护性磁气圈和地表重力低,但最大的一个挑战还是稀薄的大气层。如果不穿航天服站在火星表面,要么冻死,要么缺氧窒息而死。火星的大气压不到地球的1%。如此稀薄的大气层让重型负荷安全落地成为一项超乎寻常的挑战。迄今为止,只有53%的火星任务还算顺利。

“好奇”号进入火星大气层

登陆是最大挑战

火星与地球间的最接近点大约每两年出现一次,因此火星任务的发射窗口每两年打开一次。ExoMars任务2016年发射,“洞察”号2018年启程,“火星2020”探测车将在2020年奔赴这颗红色星球。在设计上,地火之旅要么追求最快速度,要么携带最少燃料。

进入火星大气层时,飞船的速度可达到每小时数万公里。飞船必须减速,而后才能平稳着陆。在地球上,你可以利用浓密的大气层减速。类似的技术也可用于金星或者土卫六“泰坦”,因为它们都拥有厚重的大气层。月球没有大气,着陆方式直截了当。如果没有大气层,飞船就无需隔热罩,只需借助反推力便可减速,直至平稳降落。

在天空起重机的帮助下,“好奇”号平稳着陆

”好奇“号已是极限

火星探测器的降落通常从减速壳开始,减速壳能够消除飞船的部分速度。“好奇”号是迄今为止造访火星的最重探测器,重量达到1吨。进入火星大气层时,“好奇”号的速度达到时速2.2万公里。它的减速壳也是火星探索史上最大,宽度达到4.5米。这个巨型减速壳以一定角度倾斜,允许“好奇”号在进入火星大气层后转向,奔赴指定的着陆区。

在距地面大约131公里的高度,“好奇”号点燃助推器,调整飞行路线。在火星大气层飞行了大约80秒后,隔热罩承受的温度飙升到2100摄氏度。为了防止熔化,隔热罩采用了一种名为“酚碳热烧蚀板”的特殊材料。SpaceX的“龙”飞船也采用这种材料。

SpaceX星际飞船艺术概念图

速度减至不到2.2马赫后,“好奇”号打开16米宽的降落伞。降落伞产生2.9万公斤阻力,进一步减缓“好奇”号的下落速度。它的伞绳由Technora和Kevlar纤维制成,是已知最坚固并且最耐热的材料。随后,“好奇”号抛弃降落伞,利用制动火箭进一步减速。当与地面足够近时,“好奇”号启动天空起重机,最终平稳着陆。

很难按比例放大

更重的有效载荷是否可采取相同的方式?你一定认为只要更大的降落伞和更大的天空起重机,便能将更重的载荷送上火星。理论上,SpaceX星际飞船能够将100吨殖民者和设备送上火星。不过,火星大气层中的减速方式很难按比例放大。“好奇”号重1吨,已经是降落伞所能承受的极限。工程师尚无法找到更坚固的降落伞材料,为更重的负荷减速。

ASPIRE的有效载荷与助推器分离

几个月前,美国宇航局的工程师成功测试了一款名为“ASPIRE”(先进超音速降落伞充气研究实验的英文首字母缩写)的降落伞。ASPIRE采用尼龙、Technora和Kevlar等合成织物,将用于“火星2020”任务。测试中,他们利用探空火箭将ASPIRE送入37公里的高度,模拟飞船奔火时遭遇的环境。

ASPIRE在不到一秒钟内完全充气,承受了3.2万公斤的力量。这相当于时速100公里的汽车撞墙时冲击力的3.6倍。如此惊人的力量,即使戴着安全带,你也休想活不下。如果飞船的重量进一步提高,就需要找到更强悍的合成织物。这样的织物目前还是一种不可能。此外,乘客的安全也无法保障。

低密度超音速减速器艺术概念图

宇航局正在研究其它方式,希望能够将最重3吨的有效负荷送上火星。其中一个便是低密度超音速减速器(LDSD)。当进入火星引力的势力范围,这种空气动力学减速器会充气以包裹飞船,就像充气城堡一样。

2015年,宇航局测试了这项技术。他们利用气球将一个飞行器原型送入36公里的高度,随后点燃固体燃料火箭,蹿升到55公里的高度。在借助火箭爬升过程中,超音速充气空气动力学减速器充气,直径达到6米。随后,飞船的速度减至2.4马赫。不幸的是,它的降落伞未能正常打开,最后坠落太平洋。不过,这仍是一大进步。如果科学家能够解决工程学和物理学方面的挑战,未来有望让3吨的飞船平稳降落火星。

艺术概念图,SpaceX星际飞船登陆火星

更大推力 更少货物

除了采用更强大的减速器,另一个选择便是提高推进力。理论上,只要携带足够燃料,便可借助火箭的反推力完成进入火星大气层后的减速工作。但问题是,更多燃料同时也意味着更少的货物。

按照计划,SpaceX星际飞船将采用推进着陆的方式,将100吨负荷送上火星。星际飞船会选择一条更快更直接的路线,进入火星大气层时的速度超过每秒8.5公里。当然,Starship没必要这么快。它完全可以利用空气动力制动,通过多次穿过上层大气层,以减慢速度。实际上,火星轨道器就是采用这种方式。

从减速到环绕火星轨道,再到穿过大气层并最终着陆,整个过程历时数周。根据埃隆·马斯克透露的消息,星际飞船将采用不锈钢,以应对降落过程中产生的高温。外壳上的微孔会渗出甲烷,降低飞船迎风面的温度。

艺术概念图,SpaceX的星际飞船和超重型火箭助推器

最后一刻制动

用于减速的燃料每多一公斤,飞船所能携带的货物就要少一公斤。伊利诺伊大学香槟分校进行的一项新研究指出,在接近火星地表过程中,火星大气层的密度逐渐提高,火星任务应利用这个有利条件。研究人员指出飞船没必要急于减速。进入火星大气层后,飞船仍可以产生大量气动升力,可用于飞船的转向。

通过计算,他们找到了最理想的切入角度。他们指出飞船应在可能的最后时刻,利用气动升力刹车,而后侧向飞行,穿过大气层最浓密的部分。这会提高阻力,在启动制动引擎并完成着陆前,摆脱掉大部分速度。

如果人类希望在未来建造火星殖民地,就必须解决运送大型负荷的难题。科学家需要研发一系列技术,让火星登陆方式更可靠更安全。