NASA即将再次测试的火星超音速降落伞用了哪些黑科技不会被撕碎吗_2

2019-11-17 12:02:12

纵观人类的航天史，就是一部人类与地球引力斗争的历史。为了离开地球的怀抱，从0达到7.9km/s的第一宇宙速度，人们耗费了火箭83+%重量的燃料。如果……再从这一速度乃至更高的速度降低为0呢？这里没有人疯了，这是个非常有实际需求的问题——如何在地球或其他天体上着陆？这两个问题归根结底都是一个——引力要是小点该多好啊~早期的航天器着陆无一例外的采用了自杀式不可控的硬着陆，十分悲壮。人类有史以来最快的一次返回地球的速度是12.9km/s，相当于36马赫(即36倍音速）！这一记录是由“星尘”号返回舱创造的，整个返回舱设备简洁牢固，承受了最大34g的巨大加速度（宇航员最高也只能承受短时间内10g的加速度），最终平稳的低速亲吻地面。高速再入时绚烂的烟花但是，航天技术的发展意味着很多精密设备和宇航员要迈向太空，登录其他星球，最终返回地球，这些设备和人员是无法承受如此之大的加速度的。此外，航天着陆器的重量也越来越大，对减速的要求也越来越高。接下来金狮贵宾会登录网址来讨论着陆器是如何减速的：1#火星大气的尴尬主流的着陆器有两种减速方式，对应的是两种不同类型的天体：第一种是月球、小行星、彗星等小型天体。这些天体有两个共同点：1.重力常数低，即脱离其引力非常轻松；2.没有大气，因为脱离其引力实在是太轻松了，气体都跑了；这种类型的天体着陆主要依靠着陆器自身的发动机形成一个反向的推力，降低着陆器和天体之间的相对速度。值得一提的是，速度是个矢量单位，且着陆器通常可以向一个区间内的冉鹗ü蟊龌岬锹纪封反向推进。因此这里的反推应该是天体速度和着陆器速度的矢量差反向。此外，由于现阶段化学能发动机的推力要远高于电推进发动机。因此对于月球这类相对较大的天体，采用化学能发动机的更合适，而对于小行星和彗星，电推进发动机可能足够满足使用。第二种天体是地球这样体型较大，有大气存在的天体，通常采用的策略分两个阶段：第一阶段，着陆器刚进去大气时速度很高，此时与大气的摩擦力很大，可以提供减速；第二阶段，着陆器的速度已经下降，使用降落伞和反冲发动机协助最终的降速。这时候火星大气就比较尴尬了…尴尬区间总是发生在"tobeornottobe"之间。类似金星这种稠密的高温高压，充斥着硫酸气息的大气，大不了不去就是了，NASA一如既往地，连续否决了40年间的金星探测器(1989-2035)，并长期坚定的否决金星着陆器这样的作死计划。火星大气的尴尬之处在于，火星大气太稀薄了，密度只有地球的1%，用于地球再入的降落伞不足以满足火星的使用需求，需要使用比地球规模更大的大型减速盾+上层火箭反冲+巨型降落伞+着陆气囊。这些巨型的减速系统还增加了火星探测器的不少载重负担。因此，火星降落伞需要特制…2#“维京”号时代的遗产最早的“旅居者”号火星车、“勇气”/“机遇”号火星车和“好奇“号火星车的对比，”好奇”号几乎是现有技术下所能搭载的最大的火星车从“维京”1号到“好奇”号，NASA现有的着陆器使用的是类似的技术。好奇号着陆器的分解视图，1为轨道舱，2为背壳，3为下降辅助舱，4为“好奇”号火星车，5为耐高温防护盾，6为降落伞首先进入大气时任然使用空气阻力减速，“好奇”号火星车的减速耐热盾直径高达4.5m，可耐2000+℃的高温。这一阶段将着陆器的速度从5.8km/s降低到470m/s；随后是16米直径，50米长的降落伞，将速度降低到100m/s；此时距离地面的高度还有1.8km，4台反冲发动机已经点火，最终这一着陆过程可以消耗多达390kg的燃料；由于“好奇”号比以前的火星车要重的多，因此不能采用最轻的“维京”系列的腿接触软着陆，也不能采用“勇气”号和“机遇”号的安全气囊着陆，因此采用了上面级吊装“好奇”号缓缓触底。899kg的“好奇”号几乎将这套火星着陆系统用到了极限。这就意味着，新的更大更重的火星车，比如2020年将要发射的火星车，将无法继续使用以前的这套系统了。此外，目前的系统由于对减速距离有要求，不能满足对火星高海拔区域的着陆需求，类似于太阳系最高的山峰——24km高度的奥林匹斯山，还只能望山兴叹…3#减速系统的难点对于一个降落伞系统而言，设空气瞬时密度为ρ，阻力系数为Cd，降落伞瞬时速度为v，横截面面积为A，则有以下公式：结合牛顿第二定律，可得到加速度：由于面积S与尺寸L是平方关系，质量m与尺寸是立方关系，因此可以得到:即加速度与尺寸成反比，因此降落伞的尺寸越大，加速度越大，减速的效果越明显。然而依据平方立方律，着陆器的体积增长要高于其表面积，因此着陆器的弹道系数β一直在上升，这里显然弹道系数β与加速度a成反比，这就意味着单纯的着陆器的减速能力越来越低。这也就意味着降落伞的尺寸需要越做越大，以满足足够低的弹道系数，即足够大，2020年火星车的数值估计在至少500以上。不同火星着陆器使用的降落伞尺寸虽然真空中球形的鸡是一个物理学笑话，但是真空中半球形的降落伞却是一个难度不小的挑战。首先是恶劣的环境：火箭发动机工作过程中的随机振动，不仅是发射的时候，还有变轨阶段；真空，一些聚合物会在真空环境下大量逸出，纺织品吸取的水分会在真空中排出，因此真空对于降落伞材料是个挑战；温度稳定性，减速的过程会大量摩擦生热，减速系统必须保持足够的温度稳定性，超音速降落伞的耐热性要求会更高；电离辐射，降落伞用的纺织品都有电离辐射总剂量限制，不过地火转移轨道的电离辐射剂量远低于大多数纺织品的损坏剂量；清洁度，降落伞需要密封洁净的空间，以避免宇宙尘埃对降落伞的影响；事实上，为了应对这些恶劣的环境，与降落伞联系最紧密的两个学科——流体力学和材料学，都是非常依赖实验的科学。因此，这里最大的黑科技就是——金狮贵宾会登录网址有钱金狮贵宾会登录网址任性，各种情况都要做，一做就是好多遍，包括仿真和实验~在这一点上，NASA也愿意玩遗产流，毕竟人家有40年的经验了。首先是材料，神马尼龙、涤纶、凯夫拉、聚酯纤维、聚四氟乙烯、聚苯并双恶唑纤维PBO，统统用过，其加工工艺、环境可靠性都有详细的档案在册；其次是实验项目，根据实验（滑稽），伞盖孔隙度等伞盖的设计细节、着陆器与降落伞的距离（尾流效应）、着陆器直径与降落伞直径比例、着陆器的形状、瞬时速度等对降落伞的性能有明显影响。最后是数据比对，历史实验数据、航天器实际数据、仿真数据、实验数据。。各种类型的降落伞阻力系数和速度的测试结果总结了如此之多的数据之后，NASA也诙谐的说道：金狮贵宾会登录网址做实验的时候遇到过降落伞损坏的，不过幸好去太空的时候没遇到。言下之意也包含了，金狮贵宾会登录网址实验做的太多了，一些小概率事件也发生了，不过可能也没弄明白。。。各种实验中降落伞损坏集锦由于各种类型的降落伞适用的速度区间不尽相同，因此大型火星着陆器的降落伞有两种方案：多级降落伞系统，针对不同速度打开和抛弃不同类型的降落伞；一级的巨型超音速降落伞系统；这次选择了第二种。4#新的低密度超音速减速系统SSDS(上)和SIAD（下）新一代的火星减速系统被称为低密度超音速减速系统LDSD，这一系统主要由一个直径33.5m的大型超音速环帆降落伞SSDS和一个6～8m的超音速充气式气动减速器SIAD组成，LDSD能将火星着陆器的载荷从1.5吨提升到3吨。SIAD会在3.5马赫速度的时候充气，并将着陆器的速度降低到2马赫，在这一速度条件下，就轮到超音速环帆降落伞出场了。当然现阶段的出场更多的是实验，由于去火星做实验代价太大，因此需要在地球上进行充分测试。而火星大气比地球大气稀薄，因此选择了在高空中进行测试。首先，降落伞通过“黑雁9号”探空火箭发射到51km的高空后释放。42秒后，降落伞包被自由落体加速到了1.8马赫，此时的实验环境与火星着陆环境相似。面对流体力学和材料学，NASA也选择了实验数据积累的道路。至于会不会被撕破，这些降落伞当然会破了。这只是众多实验中的一次，保持平常心，在他们看来，这只是人类迈向太空中稀松平常的一小步吧。

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