火星探測器減速著陸技術(shù)特點(diǎn)

榮 偉 陳國良

(北京空間機(jī)電研究所,北京100076)

由于火星上存在大氣層,因此要實(shí)現(xiàn)火星探測器在火星表面的軟著陸,就可以與航天器在地球上實(shí)現(xiàn)軟著陸一樣,充分利用火星大氣對探測器實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)減速,并使其在火星表面安全著陸。著陸火星的工作過程與航天器繞地球軌道返回和著陸的過程相似,這也是俄、美實(shí)現(xiàn)火星著陸采用的方法。然而,由于火星大氣層的成分、物理性質(zhì)等與地球的大氣存在著較大的差別,所以火星探測器減速著陸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著自身的特點(diǎn)和要求[1]。本文主要根據(jù)火星大氣環(huán)境的一般特征,對火星探測器減速著陸技術(shù)的基本特點(diǎn)進(jìn)行了初步分析,以便為火星探測器減速著陸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 火星大氣的一般特征

火星是一顆離地球最近的外行星,它處于地球軌道的外側(cè)?；鹦堑闹睆綖? 776km,是地球直徑的0.532;質(zhì)量為6.418 5×1023kg,是地球質(zhì)量的0.107 4;平均密度為3.94×103kg/m3;表面重力加速度為3.8m/s2。

火星大氣的主要成分為CO2(95.32%)、N2(2.7%)、Ar(1.6%)、O2(0.13%)、CO(0.08%),平均摩爾質(zhì)量為43.34g/mol。

火星上大氣非常稀薄,表面大氣壓為690～900Pa,即火星表面氣壓相當(dāng)于地球上空30～40km高度處的大氣壓;火星表面大氣密度約為0.015kg/m3;平均溫度為-63℃,晝夜溫差很大,“海盜一號”的著陸點(diǎn)(北緯22.27°,西經(jīng)47.97°),白天為-31℃,夜晚為-89℃。赤道地區(qū)中午可達(dá)20℃,兩極地區(qū)在漫長的極夜最低溫度可到-139℃。圖1、圖2分別為火星大氣密度和溫度隨高度的變化情況[2]。

圖1 火星大氣密度隨高度的變化

圖2 火星大氣溫度隨高度的變化

2 火星探測器減速著陸系統(tǒng)特點(diǎn)

與地球上大氣相比,火星大氣密度非常稀薄。在離火星表面10km的高度,其大氣密度約為0.006 5kg/m3,而在離地球表面10km高度處的大氣密度約為0.413kg/m3,即火星上的大氣密度要比地球的小兩個(gè)數(shù)量級。火星探測器在如此稀薄的大氣層里運(yùn)動(dòng),必須充分發(fā)揮探測器自身氣動(dòng)阻力的減速作用。

為了簡化分析,假設(shè)火星探測器依靠其自身的氣動(dòng)阻力到達(dá)離火星表面10km高度時(shí)趨于穩(wěn)定下降速度。于是,根據(jù)彈道系數(shù)β可以得出不同穩(wěn)降速度與彈道系數(shù)間的關(guān)系。

式中 M為探測器質(zhì)量;CD為阻力系數(shù);A為參考面積。

圖3比較了航天器在火星和地球大氣中運(yùn)動(dòng)時(shí),10km高度處的穩(wěn)降速度和彈道系數(shù)間的變化關(guān)系。由圖3可知,穩(wěn)降速度要求越小則彈道系數(shù)也越小,而且在同樣的穩(wěn)降速度要求下,火星探測器的彈道系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地球上返回的航天器,約為地球上的1/25,所以火星探測器的彈道系數(shù)非常小,一般小于100kg/m2。

由彈道系數(shù)的定義可知,對于一定質(zhì)量的航天器來說,β的減小意味著阻力系數(shù)或最大截面積需要增大。因此為了充分發(fā)揮火星探測器自身氣動(dòng)阻力的減速作用,一般其阻力系數(shù)和迎風(fēng)面積要盡可能設(shè)計(jì)得大一些。盡管在火星探測器設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使彈道系數(shù)減小,但由于各種條件的限制,一般探測器下降到開傘高度時(shí),其速度仍將達(dá)到400m/s左右,處于超聲速狀態(tài)下。由于大氣密度很小,開傘動(dòng)壓只有600Pa左右,因此,降落傘的開傘可采用直接彈傘的方式,一次開傘即可。

假設(shè)將質(zhì)量為600kg的探測器降落到火星表面?？紤]到火星大氣環(huán)境下所使用的降落傘一般為盤-縫-帶傘,取其阻力系數(shù)為0.6[3-4]。根據(jù)穩(wěn)定下降時(shí)的平衡關(guān)系,如式(2),可得到著陸速度與降落傘面積的關(guān)系,見圖4。

圖3 穩(wěn)降速度和彈道系數(shù)間的關(guān)系

式中 gm為火星表面重力加速度,取為3.8m/s2;ρ為某一高度的大氣密度;m為艙傘系統(tǒng)質(zhì)量;v為穩(wěn)定下降時(shí)速度。由此可知,若將一個(gè)質(zhì)量600kg的探測器,只通過降落傘減速降落到火星表面,即便降落傘的面積達(dá)到1 200m2,其著陸速度仍有20m/s。何況對于一個(gè)600kg的探測器來說,采用1 200m2的降落傘來減速是根本不可能的,即在火星這樣稀薄的大氣環(huán)境里,僅采用降落傘減速后,還遠(yuǎn)不足以達(dá)到安全著陸的速度。因此,一般最后還要通過著陸反推發(fā)動(dòng)機(jī)或著陸緩沖手段來進(jìn)一步減速或吸收沖擊能量,以實(shí)現(xiàn)安全著陸。

圖4 著陸速度與降落傘面積的關(guān)系

綜合以上分析,火星探測器減速著陸系統(tǒng)有如下的技術(shù)特點(diǎn):

1)火星探測器在火星表面實(shí)現(xiàn)軟著陸,必須通過自身的氣動(dòng)外形、降落傘和著陸制動(dòng)等綜合減速和緩沖方案來完成,像地球衛(wèi)星那樣,單靠氣動(dòng)力減速方法來實(shí)現(xiàn)軟著陸是不現(xiàn)實(shí)的、也是不經(jīng)濟(jì)的;

2)火星探測器的彈道系數(shù)較小,一般小于100kg/m2;

3)探測器經(jīng)自身氣動(dòng)阻力減速下降到開傘高度時(shí),其速度仍將達(dá)到400m/s左右,處于超聲速狀態(tài)下開傘,由于大氣密度低,對降落傘的強(qiáng)度壓力不是很大,但超聲速充氣環(huán)境復(fù)雜,要求充氣性能良好;

4)由于火星大氣密度小,開傘動(dòng)壓較小,一般可采用彈傘筒直接彈傘和一次開傘技術(shù)。

3 氣動(dòng)外形特點(diǎn)

合適的氣動(dòng)外形是確保火星探測進(jìn)入器進(jìn)入火星大氣層,安全通過高速高溫飛行區(qū),并最終實(shí)現(xiàn)軟著陸的重要保障。由前面火星探測器減速著陸系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)分析可知,探測器從進(jìn)入火星大氣至降落傘開傘(一般在海拔高度5～10km),其下降速度由幾千米每秒減小到400m/s左右,主要是依靠探測器自身的氣動(dòng)阻力進(jìn)行減速的。

圖5 火星探測器外形示意圖

由彈道系數(shù)的定義式(1)可知,在探測器質(zhì)量一定的情況下,為了減小彈道系數(shù),就要增大進(jìn)入器的阻力系數(shù)或最大截面積。因此,對于火星探測器來說,一般需要采用半錐角較大的球錐形,如圖5。

對于圖5所示的外形,有3個(gè)重要的尺寸參數(shù)是與氣動(dòng)減速性能、氣動(dòng)加熱特性和穩(wěn)定性密切相關(guān)的。它們是底部半徑Rb、頭部曲率半徑Rn和半錐角θ。

一般隨著半錐角的增大,阻力系數(shù)顯著增加[1,5-6]。較大的半錐角意味著頭部更鈍,增大阻力系數(shù)并改善了氣動(dòng)加熱環(huán)境;而較小的半錐角(頭部較尖)可以獲得更好的穩(wěn)定性。因此,錐面半錐角θ的大小需要綜合考慮阻力特性、氣動(dòng)加熱與穩(wěn)定性等多方面因素。

頭部曲率半徑Rn與底部半徑Rb的比值叫鈍度,它反映了球錐體頭部的氣動(dòng)特性。雖然鈍度對阻力系數(shù)影響較小,但是它直接影響駐點(diǎn)附近的氣動(dòng)加熱和壓心位置[6]。由于駐點(diǎn)熱流密度與頭部曲率半徑的平方成反比,鈍度越大的探測器頭部氣動(dòng)加熱越小。然而鈍度越大,進(jìn)入器的壓心位置越靠前,會導(dǎo)致軸向靜穩(wěn)定性變差[6]。

因此,綜合半錐角和鈍度對進(jìn)入器阻力特性、氣動(dòng)加熱與穩(wěn)定性等多方面的影響,目前美國的火星探測進(jìn)入器的半錐角設(shè)計(jì)成70°,采用Rn/Rb=0.5的鈍度。

4 降落傘特點(diǎn)

4.1 降落傘的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

一般來說,降落傘的穩(wěn)定性是隨著其透氣量的增加而增大的。降落傘的透氣量由傘衣織物透氣量和結(jié)構(gòu)透氣量兩部分組成?？椢锿笟饬繘Q定于織物的編織組織、環(huán)境壓力以及所處的空間環(huán)境?？椢锏募喚€之間存在的細(xì)小縫隙(透氣孔)即是產(chǎn)生織物透氣量的條件。在不可壓縮流狀態(tài)范圍內(nèi),織物透氣量隨著壓差增大而增加。然而,在相同壓差條件下,傘衣織物的有效透氣量(通過織物的氣流平均速度與自由流速度之比)隨高度變化而有很大差異,在某一高度上傘衣的有效透氣量(Wy)與同樣壓差條件下在海平面情況的有效透氣量(Wy0)有如下關(guān)系:

式中 ρ0為海平面的大氣密度;n為小于1的指數(shù),一般層流情況取0.5,紊流情況取1/14[7]。

表1列出了不同高度(或大氣密度)下降落傘有效透氣量比的變化情況,傘衣織物的有效透氣量隨高度增加而大大地減小,即傘衣織物的有效透氣量隨大氣密度的減小而減小。于是在大氣密度較大的環(huán)境中有較大透氣量的傘衣織物,在低密度環(huán)境下,其有效透氣量有可能減小到接近于零,即傘衣在低密度環(huán)境下將可能變成不透氣的織物。因此,在稀薄大氣環(huán)境中,如果降落傘沒有一定的結(jié)構(gòu)透氣量,其穩(wěn)定性將很差,在物傘系統(tǒng)的下降過程中會呈現(xiàn)出較大的擺動(dòng)和不穩(wěn)定。

由于火星表面的大氣密度大約相當(dāng)于地球上空35km左右高度的大氣密度,在此種環(huán)境中工作的降落傘,其織物的透氣量可以忽略不考慮,因此,為了保證降落傘工作的穩(wěn)定性,降落傘必須設(shè)計(jì)成具有一定結(jié)構(gòu)透氣量的傘型,這是火星探測中所用降落傘的特點(diǎn)之一。

眾所周知,同一具傘不能同時(shí)兼有最大的阻力特性和最佳的穩(wěn)定性。增大傘衣的透氣量可以改善降落傘的穩(wěn)定性,但也降低了該傘的阻力性能,如果透氣結(jié)構(gòu)位置設(shè)計(jì)不當(dāng),還有可能影響降落傘的開傘可靠性。如美國的“PEPP”降落傘中[8]曾用名義透氣量為3 550L/(m2?s)的傘衣材料制造的改進(jìn)環(huán)帆傘(名義直徑為12.2m),總的結(jié)構(gòu)透氣量為15%,其中傘衣上部的結(jié)構(gòu)透氣量為2.25%。在高空(37.2～48.5km)試驗(yàn)時(shí),結(jié)果降落傘沒有完全充滿,繼而傘繩纏繞,影響正常工作,其原因就是由于傘衣上部的透氣量太大造成的。后來在另一具降落傘(名義直徑為16.6m)中,使用名義透氣量小于1 016L/(m2?s)的傘衣材料,上部的結(jié)構(gòu)透氣量為0.9%,試驗(yàn)中降落傘工作正常,性能良好。因此,對于稀薄大氣中使用的降落傘,為了提高其穩(wěn)定性且不致影響傘的工作可靠性,一般采用傘衣上部透氣量較小,并在傘衣底邊附近增加一個(gè)較大的寬縫,以構(gòu)成具有結(jié)構(gòu)透氣量的傘型,這是火星探測中所用降落傘的主要特點(diǎn)。所以,在火星探測中所使用的降落傘一般為盤-縫-帶傘或改進(jìn)的環(huán)帆傘即在傘衣底邊附近去掉一個(gè)帆片,形成一個(gè)寬的縫隙。

4.2 降落傘性能驗(yàn)證特點(diǎn)

通過對火星探測器的減速著陸特點(diǎn)分析可知,火星探測用降落傘除工作在稀薄的大氣環(huán)境中外,其開傘速度還較大,基本處于超聲速范圍,且開傘動(dòng)壓較小。這些開傘條件和工作環(huán)境對降落傘性能的影響是火星探測器著陸系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵之一,也是與返回地球上的航天器著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要不同點(diǎn)。這也使得火星探測用降落傘的性能驗(yàn)證與地球上回收航天器所用的降落傘的性能驗(yàn)證存在著不同,無論是從試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件的模擬以及理論分析上都有所差別,也是降落傘研制過程中需要特別注意和重點(diǎn)考慮的問題。

為了驗(yàn)證稀薄大氣環(huán)境對降落傘性能的影響,降落傘的性能試驗(yàn)必須在地球上30km以上的高空中進(jìn)行模擬試驗(yàn),然而,由于地球大氣成份與火星上的不同,火星表面的聲速要比地球上30～35km處的小35%左右,因此,在高空模擬試驗(yàn)中雖然能夠模擬大氣密度環(huán)境,但開傘馬赫數(shù)、動(dòng)壓和速度是無法同時(shí)模擬的,而且由于重力場不同,試驗(yàn)中質(zhì)量和重力也是無法同時(shí)模擬的。正由于存在上述諸多環(huán)境條件的不同,火星探測用降落傘的性能驗(yàn)證,不能像地球上回收航天器所用的降落傘那樣可以通過空投試驗(yàn)來直接驗(yàn)證,而是需要通過試驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法來驗(yàn)證,即先要通過試驗(yàn)對一些單項(xiàng)條件分別進(jìn)行模擬驗(yàn)證,然后還要采用理論分析或仿真來綜合驗(yàn)證。所以,在火星探測用降落傘的研制過程中,必須根據(jù)單項(xiàng)模擬試驗(yàn)中所獲取的數(shù)據(jù)不斷地完善、修正、驗(yàn)證物傘系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)理論分析模型,再通過理論分析和仿真來驗(yàn)證降落傘能否滿足火星探測著陸任務(wù)。

一般對于火星探測用降落傘研制的基本思路如下:

1)確定降落傘的基本構(gòu)型,初步設(shè)計(jì)降落傘;

2)通過風(fēng)洞試驗(yàn)、低空和高空投放試驗(yàn)來分別模擬驗(yàn)證各單項(xiàng)條件的影響,并逐步改進(jìn),建立和完善物傘系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論分析模型或仿真系統(tǒng);

3)通過仿真系統(tǒng)再對進(jìn)入火星大氣環(huán)境條件下的物傘系統(tǒng)性能進(jìn)行評估,并確定改進(jìn)內(nèi)容;

4)通過風(fēng)洞和空投試驗(yàn)來驗(yàn)證改進(jìn)的降落傘系統(tǒng);

5)通過仿真系統(tǒng)來鑒定進(jìn)入火星大氣環(huán)境條件下的物傘系統(tǒng)的性能。

5 著陸緩沖特點(diǎn)

目前,在航天器工程中常用的著陸緩沖裝置有反推發(fā)動(dòng)機(jī)、緩沖氣囊、機(jī)械式緩沖裝置或吸收能量的易損結(jié)構(gòu)等。由于火星上的大氣比較稀薄,一般火星探測著陸器經(jīng)降落傘減速后,接近火星表面時(shí)的穩(wěn)定下降速度占在55～90m/s左右,如果直接采用氣囊緩沖或機(jī)械式緩沖裝置進(jìn)行著陸都是難以實(shí)現(xiàn)的,因此,在觸地緩沖之前必須先采用反推發(fā)動(dòng)機(jī)將著陸器的下降速度進(jìn)一步減小,最后再采用緩沖裝置進(jìn)行緩沖著陸,才能確保著陸器的安全著陸。

此外,火星探測器的著陸要求與航天器返回地球上的著陸要求也不一樣,地球上對航天器進(jìn)行回收,一般是航天器已經(jīng)完成了試驗(yàn)工作,只是將試驗(yàn)結(jié)果或成果回收,地面回收人員可以直接從返回艙上獲取;而火星著陸器則不同,它著陸以后,只是進(jìn)行科學(xué)考察和試驗(yàn)的開始,火星探測器著陸時(shí),必須保證它具有正常工作的姿態(tài),這是著陸緩沖裝置設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的問題。其次由于火星表面存在較多的巖石,這對著陸器的著陸緩沖裝置來說也是一個(gè)潛在的危險(xiǎn),如何使其適應(yīng)這樣復(fù)雜著陸地貌和不同介質(zhì)條件,這是緩沖裝置設(shè)計(jì)面對的另一個(gè)問題。

6 結(jié)束語

針對火星上的稀薄大氣環(huán)境和火星探測器的著陸要求,通過對火星探測器減速著陸過程的分析,得到了以下幾個(gè)基本技術(shù)特點(diǎn):

1)火星探測器在火星表面實(shí)現(xiàn)軟著陸,一般需要通過其自身的氣動(dòng)外形、降落傘和著陸制動(dòng)等綜合減速和緩沖方案來完成,僅用一、二種手段是難以實(shí)現(xiàn)的;

2)火星探測器的彈道系數(shù)非常小,一般小于100kg/m2;

3)降落傘的開傘條件是開傘速度大,處于超聲速狀態(tài)下開傘,但大氣密度低,開傘動(dòng)壓小,一般可采用彈傘筒直接彈傘和一次開傘技術(shù);

4)為了減小火星探測器的彈道系數(shù),火星探測進(jìn)入器一般采用具有較大半錐角的球錐形比較合適;

5)火星大氣中使用的降落傘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),需采用傘衣上部透氣量較小,并在傘衣底邊附近增加一個(gè)較大的寬縫,以構(gòu)成具有結(jié)構(gòu)透氣量的傘型,一般為盤-縫-帶傘或改進(jìn)的環(huán)帆傘;

6)火星探測器著陸緩沖系統(tǒng)一般需采取反推制動(dòng)和吸能緩沖相結(jié)合的方案,才能確保著陸器的安全著陸。

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