火星探測器減速著陸技術分析

賈 賀 榮 偉

(北京空間機電研究所,北京100076)

1 引言

隨著航天技術的不斷進步和發(fā)展,深空探測作為一個國家綜合國力和科學技術發(fā)展水平的重要特征與標志,引起了世界各國的極大關注?；鹦鞘翘栂稻糯笮行侵凶顬橐俗⒛康囊活w,它是地球外側的第一近鄰。在九大行星中,按與太陽的距離排列,火星是太陽的第4顆行星,屬于外行星;由于火星緊靠地球,其自然環(huán)境與其他行星相比更接近地球,屬于類地行星。因此,火星探測作為深空探測的一部分,成為現(xiàn)在和未來一段時間內人類進行宇宙探索的熱點之一。

目前,世界航天大國均在制定各自的火星探測計劃,以實現(xiàn)火星表面的著陸和取樣返回,甚至載人飛行。我國作為航天大國之一,雖然已經(jīng)在空間探測領域取得了舉世矚目的成就,但是在火星探測方面卻剛剛起步。因此,我國要及時地借助目前的國際環(huán)境條件,充分利用已有的技術基礎和條件,加速開展火星探測的研究,實現(xiàn)我國在空間探測領域的新突破。

火星探測器減速著陸系統(tǒng)可以借鑒許多地球上成熟的回收與著陸技術,但是由于火星環(huán)境與地球有很大不同,要實現(xiàn)火星探測的軟著陸,完全掌握火星探測器減速著陸技術仍具有很大的難度和挑戰(zhàn)性[1]。

2 火星的環(huán)境特征

火星處于地球軌道外側,與太陽的平均距離為2.28×108km(1.524AU)?；鹦擒壍佬螤罱茍A形,軌道偏心率為0.093 5;平均軌道速度為24.1km/s;繞太陽的公轉周期為687天,自轉周期為24h37min23s;平均半徑為3389.5km,是地球的0.53;質量為6.57×1023kg,是地球的0.11;平均密度為3.94g/cm3;表面重力加速度為3.8m/s2,相當于地球的 0.38;表面物體的逃逸速度為5.0m/s,漫反射系數(shù)為0.250,太陽輻射強度589.2W/m2,為地球的0.431。火星有2個天然衛(wèi)星火衛(wèi)1(福波斯)和火衛(wèi)2(德莫斯)。

火星大氣層很稀薄,一般分為上、中、下3層,200km以上為上層大氣,45～200km為中層大氣,45km以下為下層大氣。平均大氣密度僅相當于地球的1%。火星表面的大氣壓為700～1 000Pa,相當于地球上空30～40km高度處的大氣壓,其主要成分包括CO2(95.32%)、N2(2.7%)、Ar(1.6%)、O2(0.13%)、CO(0.08%),以及少量的H2O(2.1×10-2%)、NO(1.0×10-2%)、Ne(2.5×10-4%)、H2O2(0.85×10-4%)、Kr(0.3×10-4%)、Xe(0.08×10-4%)。平均分子摩爾質量為43.34g/mol。

火星的表面溫度會隨地理位置、時間和表面性質發(fā)生變化。根據(jù)記錄,火星上的平均溫度為-63℃,最高20℃,最低-140℃?；鹦巧巷L的推動力跟地球上的風一樣,都來自太陽。有數(shù)據(jù)顯示,雖然火星表面空氣稀薄,但由于溫度分布不均勻,火星上大氣的運動非常劇烈,平均風速達4.3m/s,且風向變幻不定,并常常伴有塵暴?；鹦潜砻娴匦纹鸱^大,呈北低南高的不對稱結構,北半球是占總面積30%的低洼平原,南半球是遍布隕石坑的古老高地。

3 火星探測器減速著陸系統(tǒng)方案的特點

結合火星的環(huán)境特征,通過對國外典型火星探測器減速著陸系統(tǒng)方案的分析發(fā)現(xiàn),“海盜1號”、“海盜2號”、“火星探路者”、“火星探測漫游者A”、“火星探測漫游者B”及“鳳凰號”這6個無人火星探測器的減速著陸系統(tǒng)的大體框架及使用的主要技術差別不大,基本都是以“海盜號”火星探測器為主要設計基準,因此,可以把已成功應用的6個無人火星探測器的減速著陸系統(tǒng)稱為“海盜號系的減速著陸系統(tǒng)”,其特點如下[2]:

1)探測器的進入質量均在1 000kg以下,著陸質量在600kg以下;

2)探測器的彈道系數(shù)較小,均小于100kg/m2;

3)探測器著陸點的誤差均在100km左右;

4)著陸點高度都在MOLA-1.4km以下;

5)探測器的氣動外形均是采用“海盜號”70°半錐角、鈍度為0.5的球錐外形;

6)開傘速度馬赫數(shù)在1.1～2.0間,處于超聲速狀態(tài)下開傘;

7)降落傘是基于“海盜號”所用的盤縫帶傘,且均是采用彈傘筒直接彈傘和一次開傘。

到目前為止,火星探測減速著陸器的發(fā)展可以大致分為3個階段。即:可行性研究階段,“快、好、省”政策實施階段和采樣返回或載人火星探測減速著陸技術準備階段。目前,正在研制的“火星科學實驗室”(原計劃2010年發(fā)射,現(xiàn)因故推遲)及載人火星探測論證,主要以進入質量大于1 000kg的探測器能夠安全避障、精確著陸的相關減速著陸技術為研究對象。

目前,美國對于火星探測器減速著陸方面的研究工作,也主要是針對未來采樣返回或載人火星探測的相關減速著陸技術的攻關研究。

4 火星探測器減速著陸技術分析

火星表面大氣稀薄,可以利用氣動力進行減速,以實現(xiàn)火星探測器減速著陸目的。但是,火星大氣層的成分、物理性質與地球的大氣存在較大差別,而且火星探測器減速著陸系統(tǒng)方案受其任務要求的影響較大,因此,火星探測器的減速著陸技術有其自身特點。由于在星際著陸方面,我國還沒有系統(tǒng)研究,火星探測器減速著陸技術的很多關鍵和重點環(huán)節(jié)需要進行深入研究。本文對國外火星探測器減速著陸技術進行了重點分析研究。

4.1 減速著陸系統(tǒng)方案

由于火星大氣密度稀薄(其密度是地球的1%),火星探測器依靠其自身氣動外形進行減速時,相比地球上的飛行器需要在高度更低時才能達到明顯的減速效果。在火星上,只有進入器的彈道系數(shù)小于50kg/m2,且高度非常接近火星表面(10km以下)時,才能將有效載荷的速度降低到亞聲速階段?；蛘哒f,在這種稀薄大氣環(huán)境下,適合開傘時的高度相對較低,即留給減速著陸系統(tǒng)剩余部分的時間縮短,可能導致進入器沒有充足時間做著陸準備。同時,火星大氣密度是隨火星年不斷變化的,這使得很難研制出一種通用的減速著陸系統(tǒng)方案來適應所有火星大氣環(huán)境的需要。當然,目前成功實現(xiàn)火星著陸的無人探測器著陸點的高度都在MOLA-1.4km以下,著陸點的高度也限制了無人探測器減速著陸系統(tǒng)的發(fā)展。

對于火星探測器而言,選擇一個適合自身的減速著陸系統(tǒng)方案,對探測器的設計、成本以及具體的實施都十分重要。由于火星探測器一般都是以很高的速度進入火星大氣層,如“探路者”進入火星大氣層時的速度高達7.26km/s,所以要實現(xiàn)探測器的安全減速著陸,必須依靠探測器本身合適的氣動外形、降落傘以及著陸緩沖裝置等多種手段共同保證。此外,考慮到探測器的質量和彈道的簡化,大多數(shù)火星探測器均以彈道式進入火星大氣層,最近發(fā)射成功的“鳳凰號”火星探測器計劃采用升力控制進入的方式,但是由于各方面的原因,最終還是采用了彈道式進入[3]。原計劃2010年將要發(fā)射的“火星科學實驗室”探測器則需采用升力控制進入的方式,以求獲得更加精確的著陸點?；鹦翘綔y器在氣動力作用下急劇減速,將會產(chǎn)生嚴重的氣動加熱和制動過載,探測器的各種減速裝置必須能夠承受這些惡劣環(huán)境條件的考驗。盡管火星減速著陸系統(tǒng)外觀上有很大不同,但是這些系統(tǒng)方案也都有著明顯的共同點,即通過降落傘減速到達離火星表面1km處,接近最終速度時著陸器與傘分離(速度為55～90m/s)。但是,由于目前火星探測器的減速著陸系統(tǒng)方案還難以理想地處理火星表面潛在的隨機危險[4],所以,要想更好、更安全地實現(xiàn)火星減速著陸,必須獲取更加準確的火星表面參數(shù)和大氣參數(shù),合理選擇一個適合探測器本身的減速著陸系統(tǒng)方案。

選擇著陸系統(tǒng)最優(yōu)的安全減速方案,不只是對無人火星探測減速著陸系統(tǒng)的要求,對于載人火星探測減速著陸系統(tǒng)更為重要。

4.2 氣動外形減速技術

圖1 “鳳凰號”的氣動外形

合適的氣動外形是確?；鹦翘綔y器安全通過高速高溫飛行區(qū),并最終實現(xiàn)火星軟著陸的重要保障。根據(jù)現(xiàn)有火星探測器的數(shù)據(jù),從進入火星大氣開始,至降落傘開傘完成,探測器的速度由幾千米每秒迅速降低到幾百米每秒左右,這個階段主要依靠探測器自身的氣動阻力減速。但是由于火星大氣非常稀薄,相比地球上的減速著陸,同樣的有效載荷質量需要更大直徑的外形結構和更好的防熱材料,體積和質量也會增加很多。為了減少進入時的制動過載和氣動加熱,并能控制好著陸點,可以采用升力式或彈道升力式的外形和配置。

火星探測進入器的氣動外形必須能夠提供較高的阻力系數(shù)。在已成功實現(xiàn)無人火星探測的減速著陸系統(tǒng)方案中,均借鑒了“海盜號”成功的經(jīng)驗,如之后的“探路者”、“漫游者”以及“鳳凰號”火星探測器的氣動外形均采用“海盜號”70°半錐角的球錐形外部氣動形狀(其零攻角時阻力系數(shù)為1.68)。這種氣動外形可以適應各種不同的進入軌道以及0°～11°的攻角范圍。“鳳凰號”的氣動外形如圖1所示。

進入器的減速及防熱性能都是由進入器彈道系數(shù)決定的,低的彈道系數(shù)可以獲得更低的熱峰值和過載峰值。但是到目前為止,保證探測器能夠安全進入并著陸到火星表面的彈道系數(shù)取值范圍仍保持在63～94kg/m2之間。對于更大彈道系數(shù)的探測器,如何安全進入并著陸到火星表面是美國目前正在研究且亟待解決的難題。彈道系數(shù)取決于阻力系數(shù)、質量及參考面積,即探測器的氣動外形結構,這就對探測器的氣動外形結構設計提出了更高的要求。

目前,火星探測器上使用的防熱材料為SLA-561V,但是如果氣動熱峰值超過100W/cm2,就需要對SLA-561V材料進行性能改進或者尋找一種可以適應這種新的飛行環(huán)境的新型材料。

可見,氣動外形結構及防熱材料的選擇,也是限制火星探測器減速著陸技術發(fā)展的一個重要因素[1]。

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4.3 降落傘減速技術

降落傘是航天器減速著陸系統(tǒng)最常用的減速裝置之一,火星探測器也不例外。已成功實施的無人火星探測器減速著陸系統(tǒng)方案中,都包括超聲速傘減速的部分。超聲速傘的具體作用就是使進入器的速度減小至亞聲速段。除此之外,超聲速傘還可以為進入器在跨聲速階段提供足夠的穩(wěn)定性。

“海盜號”使用的最大降落傘直徑為16m。在“海盜號”任務之前,美國就對火星著陸器使用降落傘進行減速的可行性進行了專題研究,其中對降落傘的選型、性能評估以及環(huán)境的模擬進行了大量的試驗工作。“海盜號”任務正式開始后,又進行了一系列的風洞試驗、空投試驗和氣球發(fā)射試驗。這些試驗積累了大量的試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗,為后來的火星著陸器的降落傘研制奠定了堅實的基礎?！疤铰氛摺?、“極地著陸者”、“漫游者”(包括“勇氣號”和“機遇號”)以及“鳳凰號”降落傘的設計都是基于“海盜號”降落傘的設計,并根據(jù)各型號自身的技術要求進行了相應改進,在研制過程中通過一系列對應的試驗進行比較和驗證。從“海盜號”到“鳳凰號”幾次火星探測著陸任務中,降落傘均工作正常,這表明美國已經(jīng)掌握了一套比較成熟的火星探測用降落傘研制的工程實踐經(jīng)驗和試驗方法[5-7]。

對火星探測器使用的降落傘而言,其主要問題是火星大氣密度低。在地球大氣中能夠正常工作的降落傘在火星上就會出現(xiàn)許多意想不到的問題,降落傘在超聲速條件下還存在開傘困難、開傘不穩(wěn)定、阻力系數(shù)下降等問題。20世紀60～70年代,美國對低密度條件下超聲速降落傘進行研究,包括環(huán)帆傘、十字形傘、盤縫帶傘,并做了風洞測試和全尺寸高空投放等試驗。經(jīng)過多個方案比較后,“海盜號”火星探測器最終選擇了單個、不收口的盤縫帶傘作為氣動減速裝置,該方案是在滿足系統(tǒng)設計要求下最簡單的方案。對于超聲速條件下開傘的情況,前體尾流區(qū)的影響是關鍵因素,要求降落傘與前體間有足夠的距離?！昂１I號”設計的降落傘與前體相對距離大于前體參考直徑的9倍。另外,為了保證降落傘能可靠彈出尾流區(qū),采用了彈傘筒開傘的方案?！昂１I號”的成功減速與著陸,驗證了盤縫帶傘能夠適應火星大氣稀薄的環(huán)境以及超聲速開傘的條件,并一直被美國的其他火星探測減速著陸系統(tǒng)所采用。

未來的火星表面實驗站和載人登火星計劃都需要將更大的有效載荷著陸到火星,“海盜號”所采用的降落傘系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足著陸系統(tǒng)的減速要求,這就需要設計全新的降落傘系統(tǒng)來滿足火星探測器的發(fā)展?，F(xiàn)在所采用的方法主要有2種:一種就是設計更大面積的超聲速傘來承擔更大的有效載荷,但是其地面驗證試驗比較困難,可靠性難以得到保證;另一種方法就是采用兩級開傘的方案,一個超聲速傘和一個亞聲速傘相結合,從而達到為探測器減速的目的。

2003年,美國噴氣推進實驗室進行了SPTT(亞聲速降落傘技術研究)項目的研究,以驗證兩級減速方案的可行性。但大型環(huán)帆傘在低密度大氣下開傘、穩(wěn)定性等問題還沒有完全解決。此外,由于在研的“火星科學實驗室”探測器著陸質量和氣動外形直徑的增大,使其降落傘直徑也需要相應增大。目前,在地面做過驗證試驗的最大降落傘直徑為19.7m,可以滿足“火星科學實驗室”的性能要求。但是,對于更大質量的無人火星探測減速著陸系統(tǒng)方案而言,必須確定一種新的地面驗證方法來輔助完成直徑大于19.7m的超聲速傘的研制。對更大質量的火星探測器來說,采用分級的降落傘系統(tǒng)也可以完成任務需求,這也是解決尺寸問題的途徑之一。

4.4 開傘控制技術

開傘控制技術是航天器減速著陸系統(tǒng)設計中的一項關鍵技術,這項技術能否成功應用直接關系到整個減速著陸系統(tǒng)工作的成敗?；鹦谴髿馀c地球大氣環(huán)境相比,氣候更加寒冷、空氣更加稀薄,如何確保在這種環(huán)境下順利實現(xiàn)開傘控制是一個關鍵。開傘控制方案的設計需要考慮到各種可能的進入軌道,包括標準進入軌道和各種偏差軌道,同時還要考慮到可供選擇的控制方法和器件精度,確保減速著陸系統(tǒng)開傘以及開傘后各個程序動作均能及時、可靠地完成,避免開傘時溫度過高、動壓過大和開傘高度過低等情況發(fā)生。

有關研究表明,回收航天器常采用的開傘控制方法有純時間控制法、傳統(tǒng)的過載-時間控制法和靜壓高度控制法,但這些方法難以滿足火星探測著陸系統(tǒng)的開傘要求[8-9]。美國“海盜號”采用的是雷達高度控制法[10],其他探測器大多采用自適應過載控制法。目前,對于新一代無人火星探測器而言,隨著其質量不斷增加,彈道系數(shù)增大,導致其進入軌道的超聲速傘開傘區(qū)域進一步減小,要想實現(xiàn)正常的開傘控制,面臨著更大的技術挑戰(zhàn)。開傘控制方法是我國未來火星探測著陸系統(tǒng)設計中必須研究和解決的問題之一。

4.5 減速著陸過程控制技術

“鳳凰號”及其之前的火星探測減速著陸任務大都使用無制導進入方式,著陸器初始狀態(tài)的偏差及火星大氣參數(shù)的不確定性使得著陸點偏差高達100～200km。

隨著火星探測任務的發(fā)展,探測的目標開始向建立火星基地、采樣返回及載人登陸火星的方向發(fā)展,需要將探測器及其有效載荷精確著陸到一定范圍之內,比如,采樣返回任務可能使用可分離的進入飛行器用于樣品的收集和返回;載人探測可能需要將成員的進入飛行器著陸在居住點和補給點附近,這對探測器著陸精度有很高的要求。而目前的減速著陸技術,尤其是在接近火星表面的階段處于不可控狀態(tài),探測器很難實現(xiàn)一定精度的著陸。因此,為了提高火星探測器著陸點的精度,需要對整個進入減速著陸過程進行制導、導航和控制,從而補償初始的進入誤差和大氣環(huán)境導致的誤差,提高著陸精度。目前,美國在這方面已開始進行了一些研究[11],其研究內容主要包括以下6個方向。

(1)用于火星精確著陸的先進高超聲速進入制導技術

這項技術的目標是研制一個高超聲速進入制導算法,可以滿足未來火星減速著陸系統(tǒng)的需求。目前,火星著陸器的進入飛行器的升阻比較低,還是屬于彈道式進入。今后的火星任務需要將體積更大、質量更大的有效載荷著陸到火星表面,這就要求研制出具有高升阻比的進入飛行器,完成升力式進入。針對這些要求,制導算法應能完成高超聲速氣動的進入計算。

未來的火星探測任務需要將不同時間的多個著陸器著陸到同一區(qū)域,并且需要在相同的推進控制方案要求下,使著陸精度達到100m左右,這就對制導計算方法提出了新的要求。此外,制導算法還應該在不改變進入器防熱設計和結構設計的前提下,通過計算得到更加精確的降落傘展開條件,即降落傘展開的高度、速度等參數(shù)[12]。

(2)軌道器和著陸器結合的進入減速著陸(EDL)導航技術

過去火星著陸任務使用的都是無制導進入方式,著陸器的初始狀態(tài)偏差和大氣參數(shù)的不確定性使其著陸點偏差達到100km以上。研究表明,在進入階段的導航功能可以通過利用軌道飛行器和著陸器之間的無線電通信來完成,通過使用火星著陸器和軌道器之間的無線電數(shù)據(jù)可以大大提高EDL的導航能力。

該項技術原本計劃應用在“鳳凰號”火星探測器上,但是最終沒有實現(xiàn)。該技術主要是檢驗不同的天線設計,并且開發(fā)出一種天線,對其進行熱防護系統(tǒng)試驗,從而驗證它在進入火星大氣前后的性能。還將對其進行等離子干擾分析,以用來驗證其在進入階段可能發(fā)生的通信中斷情況。此外,“鳳凰號”探測器原計劃還開發(fā)一個卡爾曼濾波器用于降低進入大氣前后的導航狀態(tài)數(shù)據(jù)錯誤。著陸器和軌道器之間的多普勒測距儀也將在EDL過程中得到使用。使用該項技術后,火星探測器的著陸精度達到10km以內[13-14]。

(3)利用在軌信標機的精確著陸導航技術

著陸精度在1km以內的著陸技術可以提高探測器的安全性,并且使其具有降落在預定區(qū)域的能力。進入器上面安裝的信標機發(fā)出的實時導航數(shù)據(jù)可以將著陸器原來3km左右的著陸誤差降低到500m以內。

使用信標機進行導航有利于2個航天器(如著陸器與軌道器)之間的通信連接,特別是在2個航天器之間的速度與無線電波束平行的情況下,可以實時確定著陸器的位置和速度。信標機提供的導航修正數(shù)據(jù)可以大大降低超聲速降落傘的開傘高度誤差,從而提高著陸器的著陸精度[15-16]。

(4)用于精確著陸的艙上自適應導航技術

這項技術的目的是開發(fā)一個穩(wěn)定的自適應導航系統(tǒng),用于在高超聲速階段主動制導著陸器的EDL系統(tǒng),使其滿足降落傘的展開條件,并最終安全著陸到火星表面。這個自適應導航系統(tǒng)可以處理慣性測量單元(IMU)和外部傳感數(shù)據(jù),然后得出一個著陸器自身的狀態(tài)估計,并且考慮了IMU的失效問題和大氣參數(shù)的不確定性。其主要工作內容是完成一種算法,用來在高超聲速階段和氣動加熱階段,處理最終制導傳感器(如高度計)測量的IMU數(shù)據(jù)[17]。

(5)圖像與慣性制導結合的精確著陸導航技術

這項技術的工作重點是估計著陸器著陸點的精確程度,其目的是研究開發(fā)對于著陸器運動和姿態(tài)的實時估計方法[18]。

(6)火星可控降落傘技術

火星可控降落傘(MGP)是美國噴氣推進實驗室火星技術工程(MTP)的一部分。其目的是驗證在下降階段利用降落傘的風飄補償(WDC)控制,提高著陸點精度技術的可行性。這項技術將在火星EDL過程的下降段中使用,可以將著陸精度提高到幾十米的量級,并將用于未來的無人著陸和載人登火星任務[19]。

4.6 自主避障著陸技術

迄今為止,所有的火星探測著陸器都尚未具備自主避障的能力。然而由于火星表面分布有火山坑、巖石、溝壑等,這些特殊地形對于火星探測器的安全著陸,特別是未來火星基地的建立、采樣返回及載人登火星來說是非常危險的。這就為未來的火星探測器提出了自主避障能力的要求。

自主避障著陸技術主要涉及以下3個方向:1)地形特性信息的采集和處理技術;2)地形安全性的識別技術;3)避障技術。

4.7 著陸緩沖技術

一般火星探測著陸器經(jīng)降落傘減速后,接近火星表面時的穩(wěn)定下降速度仍在55～90m/s左右,如果直接采用緩沖氣囊或著陸支架等機械式緩沖裝置進行著陸都難以實現(xiàn)。因此,在觸地緩沖之前,必須采用反推發(fā)動機將著陸器的下降速度進一步減小,最后再采用緩沖裝置進行緩沖著陸[1]。目前,工程上比較成熟的航天器著陸緩沖裝置有反推發(fā)動機、緩沖氣囊、機械式緩沖支架和吸收能量的易損結構等。而采用何種緩沖著陸方案要考慮工程目標、探測方式、著陸點條件、研制成本以及可靠性安全性等方面的因素[4]。

目前,已經(jīng)在火星上成功應用的2種方案是著陸支架和緩沖氣囊。著陸支架方案在“海盜號”上成功應用,該方案借鑒了當時月球探測器“勘測者”的著陸技術?！翱睖y者”、“海盜號”和“鳳凰號”采用的是三支腿著陸支架方案,“阿波羅”載人登月艙和其他月球系列都是采用4條支腿進行著陸支撐。著陸支架一般由3根支腿組成:1個主承力支腿,2個側向的輔助支腿。著陸支腿的構型有倒三角式和懸臂式2種,如圖2所示。倒三角式結構和受力簡單,但相比懸臂式結構,質量大,穩(wěn)定性差,對著陸地形的適應能力較差。在緩沖吸能設計上,“勘測者”和“月球系列”均采用液壓緩沖結構,而“海盜號”是采用鋁蜂窩緩沖材料。液壓緩沖具有很高的能量吸收效率,但緩沖性能容易受到溫度等環(huán)境影響,且結構較復雜;鋁蜂窩緩沖方式結構簡單,性能比較穩(wěn)定。

倒三角式是主支腿和2個輔助支腿在主支腿內筒下端的足墊附近相連接,構成三角錐桿系。優(yōu)點是適合于承受集中載荷。懸臂式是指2個輔助支腿在主支腿外套筒下端與主支腿相連。這種形式的主支腿承受壓縮和彎曲載荷,最大彎矩在副支腿的連接處,副支腿承受壓力或拉力。

圖2 著陸支架的構型

著陸支架方案的優(yōu)點是其技術已在月球和火星著陸工程中被多次驗證,容易與著陸器結構集成,能夠承受很大的質量;缺點是受支架高度和穩(wěn)定性的限制,對著陸點的地形要求高,火星表面不能有大的坡度、巖石和凹坑等特殊情況。采用支架后,火星探測器離地面有一定的高度,過高的著陸器重心會增大著陸時危險發(fā)生幾率。為了保證著陸安全,需要配備大推力的制動發(fā)動機進行減速,將垂直著陸速度減小到2m/s左右,水平著陸速度小于1m/s。同時,為避免對著陸姿態(tài)產(chǎn)生干擾,發(fā)動機需要在觸地前關機,因此,會導致著陸器自由落下,使著陸速度增大。另外,由于支架高度較高,需要采用某種手段將巡視器安全降落到火星表面。

表2 著陸支架與緩沖氣囊的比較

由于著陸支架方案的系統(tǒng)配置相對復雜,NASA在“探路者”、“漫游者”上采用緩沖氣囊來實現(xiàn)緩沖著陸,并全部取得成功。緩沖氣囊系統(tǒng)由4個氣囊和氣體發(fā)生器組成,氣囊包裹著四面體結構的著陸器。由于探測器在進入火星大氣時速度很高,首先需要利用飛行器的氣動外形在高超聲速階段進行減速,當速度降低到Ma≈2時,降落傘展開工作,在距離地面一定高度后,利用反推發(fā)動機最后減速,然后釋放包裹探測器的緩沖氣囊,完成著陸緩沖?！疤铰氛摺笔紫炔捎昧诉@種緩沖氣囊的軟著陸技術,其進入器直接進入火星大氣層,在降落傘和反推火箭的協(xié)助下緩慢穿過稀薄的火星大氣層,在距離地面100m左右時,“探路者”變?yōu)樽杂上侣錉顟B(tài),并展開安全氣囊,著陸后整個著陸器在火星表面彈跳,并慢慢平穩(wěn)。平穩(wěn)后,氣囊放氣,著陸器艙壁板展開,放出火星漫游車。

氣囊的優(yōu)點是簡化了著陸系統(tǒng)的設計,可以以較大的速度進行著陸,對著陸姿態(tài)沒有太多的要求,更適應相對復雜的著陸地形。缺點是氣囊結構相對有效載荷質量較大,適合著陸質量小于1 000kg的著陸器。另外,由于受到承擔的有效載荷的質量限制,全向氣囊方案不適合將來的取樣返回和載人登火星計劃。

目前,NASA正在加緊研制新的火星著陸技術,例如原計劃2010年將發(fā)射的“火星科學實驗室”,其要求著陸點海拔高度1km,著陸器質量800kg,著陸精度為10km。為了滿足這些要求,“火星科學實驗室”設計了不同于以前的著陸緩沖方案——“空中吊車”(Sky Crane)精確著陸技術,如圖3所示。

圖3 “空中吊車”精確著陸技術

在該項技術中,由“空中吊車”直接將漫游車送到火星表面,無需安全緩沖氣囊。主要工作原理是:探測器在大約離地面1 500m處動力下降段和后體分離,8個制動發(fā)動機點火工作,同時有8個小推力姿控發(fā)動機進行俯仰、滾動、偏航控制;在下降到離地面19.5m時,動力下降段的垂直速度減小到0.75m/s,水平速度為0,動力下降段通過3根吊帶釋放漫游車,吊帶長7.5m;同時,動力下降段以0.75m/s的速度勻速下降,直到漫游車觸地。漫游車著陸后切斷吊帶,動力下降段飛離擺脫著陸點。漫游車在著陸時靠6個車輪進行緩沖,類似汽車的減震設計,保證能以小于1m/s的垂直速度、0.5m/s的水平速度著陸在15°的斜坡上。這種著陸方式可使漫游車著陸在20～40km范圍的區(qū)域,比以前探測器在火星的著陸范圍縮小了很多[20]。

5 結束語

通過對目前國外火星探測器減速著陸技術的分析,可以發(fā)現(xiàn),火星著陸的著陸精度要求越來越高,著陸有效載荷的質量越來越大,著陸過程的可控性越來越強,著陸方式越來越多。因此,我國應加緊對火星探測器減速著陸系統(tǒng)中的一些關鍵技術或環(huán)節(jié)進行研究,在充分研究關鍵技術的基礎上,提出符合我國實際情況的火星探測器減速著陸系統(tǒng)方案,為進一步開展我國對火星探測的研究奠定基礎。

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