美國(guó)用于大質(zhì)量火星著陸的減速技術(shù)取得重要進(jìn)展

李金釗（中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

美國(guó)用于大質(zhì)量火星著陸的減速技術(shù)取得重要進(jìn)展

李金釗（中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

2014年6月28日，美國(guó)航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）完成“低密度超聲速減速器”（LDSD）的首次“超聲速飛行氣動(dòng)試驗(yàn)”（SFDT）。美國(guó)航空航天局希望通過(guò)這項(xiàng)超聲速減速技術(shù)，提高未來(lái)火星任務(wù)的著陸載荷質(zhì)量、著陸點(diǎn)海拔高度和著陸精度。

1 “低密度超聲速減速器”項(xiàng)目背景

超聲速減速技術(shù)是保障火星軟著陸成功的關(guān)鍵技術(shù)之一，是進(jìn)入、下降與著陸（EDL）技術(shù)的組成部分。美國(guó)自1976年著陸的“海盜”（Viking）火星著陸器到2012年著陸的好奇號(hào)（Curiosity）火星車，全部都采用剛性減速器和“盤-縫-帶”（DGB）降落傘的減速方案完成超聲速減速工作。2012年著陸成功的好奇號(hào)的著陸點(diǎn)高度為2km[火星海拔高度是由1997年進(jìn)入火星軌道的“火星全球勘測(cè)者”（MGS）探測(cè)器攜帶的火星軌道激光高度計(jì)（MOLA）測(cè)定的]，著陸質(zhì)量達(dá)960kg，是美國(guó)航空航天局利用目前掌握的減速技術(shù)在火星表面實(shí)現(xiàn)軟著陸的最大質(zhì)量。

未來(lái)火星采樣返回探測(cè)和載人火星探測(cè)等任務(wù)，需要火星探測(cè)器或載人飛船具備更高的火星表面大質(zhì)量軟著陸能力，這要求減速裝置具備更高的減速性能。為此，美國(guó)航空航天局于2011年在“太空技術(shù)項(xiàng)目”（STP，旨在獲得用于未來(lái)探索小行星、火星或更遠(yuǎn)星體任務(wù)的所必需的新技術(shù)和能力，“低密度超聲速減速器”項(xiàng)目則是“太空技術(shù)任務(wù)”正在開(kāi)發(fā)的幾項(xiàng)共性技術(shù)之一）中設(shè)置了“低密度超聲速減速器”技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)，并希望通過(guò)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的驗(yàn)證，提高超聲速段減速性能，掌握新的大質(zhì)量火星軟著陸減速技術(shù)和能力。該技術(shù)也是美國(guó)航空航天局在火星進(jìn)入、下降與著陸技術(shù)領(lǐng)域正在開(kāi)發(fā)驗(yàn)證的技術(shù)之一。

2 “低密度超聲速減速器”項(xiàng)目介紹

基本思路

針對(duì)未來(lái)火星探測(cè)任務(wù)中大質(zhì)量有效載荷著陸問(wèn)題，美國(guó)航空航天局在制訂探測(cè)器進(jìn)入、下降與著陸過(guò)程中的減速方案時(shí)，主要考慮了降低彈道系數(shù)和提高升阻比等技術(shù)途徑。鑒于提高升阻比要解決新型氣動(dòng)外形和超聲速控制等技術(shù)難題，短時(shí)間內(nèi)難以取得突破。因而，美國(guó)航空航天局希望通過(guò)降低彈道系數(shù)的方案盡快提升減速技術(shù)。由于彈道系數(shù)與探測(cè)器進(jìn)入段的質(zhì)量/阻力面積成正比，可通過(guò)增加探測(cè)器進(jìn)入段的阻力面積降低彈道系數(shù)，從而提高超聲速飛行階段的減速效果。

受運(yùn)載火箭整流罩尺寸限制，減速器無(wú)法采用大尺寸剛性結(jié)構(gòu)增加阻力面積。因而，美國(guó)航空航天局開(kāi)始關(guān)注輕質(zhì)充氣式氣動(dòng)結(jié)構(gòu)減速器。未來(lái)在火星探索任務(wù)中，“低密度超聲速減速器”在發(fā)射和飛行過(guò)程中保持在未充氣狀態(tài)，滿足火箭整流罩尺寸要求。在進(jìn)入氣動(dòng)減速前，利用氣體發(fā)生器快速對(duì)充氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行充氣，使其迅速膨脹，增大阻力面積，降低彈道系數(shù)，實(shí)現(xiàn)減速的目標(biāo)。

“低密度超聲速減速器”的組成和項(xiàng)目驗(yàn)證內(nèi)容

“低密度超聲速減速器”由超聲速充氣式氣動(dòng)減速器（SIAD）和大型超聲速環(huán)帆傘構(gòu)成。為進(jìn)行“超聲速飛行氣動(dòng)試驗(yàn)”技術(shù)驗(yàn)證，美國(guó)航空航天局研制了2種超聲速充氣式氣動(dòng)減速器和超聲速環(huán)帆傘進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。

美國(guó)航空航天局火星探測(cè)任務(wù)重要參數(shù)對(duì)比

1）超聲速充氣式氣動(dòng)減速器：美國(guó)航空航天局曾于20世紀(jì)60年代開(kāi)展充氣式氣動(dòng)減速器技術(shù)研制，但在70年代“海盜”成功著陸火星之后便停止了該項(xiàng)技術(shù)的研究。在美國(guó)航空航天局提出更大著陸質(zhì)量的需求后，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室重啟充氣式減速器技術(shù)研究。本項(xiàng)目將分別驗(yàn)證直徑6m的圓環(huán)型SIAD-R和直徑8m的等張力面型SIAD-E減速器，其中，由凱夫拉制成的SIAD-R減速器質(zhì)量50kg，用于發(fā)展火星表面探測(cè)機(jī)器人等有效載荷著陸所需的減速器技術(shù)。而由泰克諾拉制成SIAD-E減速器則用于發(fā)展載人火星探測(cè)計(jì)劃等需要中大型有效載荷著陸所需的減速器技術(shù)。盡管兩種減速器的構(gòu)型和尺寸不同，但其作用均是在火星稀薄大氣環(huán)境中通過(guò)充氣膨脹增加著陸器的氣動(dòng)阻力，對(duì)超聲速（Ma為3.5以上）飛行的著陸器進(jìn)行氣動(dòng)減速，最終使飛行速度下降至約Ma為2，達(dá)到降落傘安全展開(kāi)的條件。

2）大型超聲速環(huán)帆傘：迄今美國(guó)發(fā)射的全部火星著陸器均采用適合在空氣比較稀薄條件下工作的“盤-縫-帶”降落傘。其中，2012年在火星表面著陸的好奇號(hào)采用的降落傘直徑為21.5m，開(kāi)傘速度Ma為1.77，已達(dá)到“盤-縫-帶”降落傘的尺寸極限。與以往的火星著陸器不同，“低密度超聲速減速器”將采用尺寸更大的環(huán)帆傘，與“盤-縫-帶”降落傘相比，環(huán)帆傘的開(kāi)傘沖擊載荷較小、穩(wěn)定性好，具有相當(dāng)高的可靠性（美國(guó)載人飛船著陸系統(tǒng)的主傘都采用這種環(huán)帆傘結(jié)構(gòu)）。美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室綜合考慮減速效率、穩(wěn)定性和超聲速環(huán)境下的開(kāi)傘效果等因素，最終決定采用質(zhì)量100kg、直徑30.5m的超聲速環(huán)帆傘，其開(kāi)傘速度可達(dá)Ma為2，面積幾乎是好奇號(hào)的2倍。

減速過(guò)程

SIAD-R（左）和SIAD-E（右）減速器

當(dāng)探測(cè)器進(jìn)入火星大氣時(shí)，其飛行速度一般Ma為3～4，利用“超聲速充氣式氣動(dòng)減速器”充氣膨脹，增大探測(cè)器的氣動(dòng)阻力以降低飛行速度。當(dāng)速度降至Ma約為2（安全開(kāi)傘速度）時(shí)，再利用降落傘進(jìn)一步減速。

3 “低密度超聲速減速器”的驗(yàn)證

已完成的地面試驗(yàn)

美國(guó)航空航天局已對(duì)“低密度超聲速減速器”項(xiàng)目進(jìn)行了多次地面試驗(yàn)。由于“低密度超聲速減速器”項(xiàng)目中采用的超聲速充氣式氣動(dòng)減速器和大型超聲速環(huán)帆傘的尺寸較大，無(wú)法在超聲速風(fēng)洞中進(jìn)行氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，因而地面試驗(yàn)都是利用火箭滑橇進(jìn)行的。

2012年10－11月，美國(guó)航空航天局對(duì)SIAD-R減速器進(jìn)行了3次火箭滑橇試驗(yàn)。試驗(yàn)中，火箭滑橇將直徑4.6m的氣動(dòng)殼體加速到134m/s，模擬其在火星大氣層內(nèi)膨脹時(shí)所處的氣動(dòng)力環(huán)境，然后使SIAD-R減速器充氣膨脹展開(kāi)（直徑達(dá)到6m）并開(kāi)始減速。雖然SIAD-R減速器膨脹時(shí)無(wú)法達(dá)到火星降落時(shí)的速度，但由于地球表面大氣密度較高，此次試驗(yàn)中SIAD-R減速器所承受的壓力比預(yù)期火星任務(wù)目標(biāo)高25%。試驗(yàn)結(jié)果表明，SIAD-R減速器可在所需的動(dòng)壓環(huán)境下瞬間展開(kāi)定型，達(dá)到預(yù)期的減速效果。

直徑30.5m的超聲速環(huán)帆傘

未來(lái)火星軟著陸過(guò)程示意圖

美國(guó)航空航天局對(duì)大型超聲速環(huán)帆傘也進(jìn)行了試驗(yàn)。首先利用直升機(jī)將降落傘送到空中，降落傘通過(guò)一根1km長(zhǎng)的由加強(qiáng)型凱夫拉纖維制成的繩索與火箭滑橇連接。試驗(yàn)中，利用滑輪系統(tǒng)將滑橇對(duì)降落傘560kN的拉力方向改為向下。試驗(yàn)表明，直徑30.5m環(huán)帆傘可順利展開(kāi)。

正在開(kāi)展的一系列平流層“超聲速飛行氣動(dòng)試驗(yàn)”

SIAD-R減速器火箭滑橇試驗(yàn)

2014年6月28日起，美國(guó)航空航天局將對(duì)“低密度超聲速減速器”技術(shù)進(jìn)行了一系列平流層試驗(yàn)。利用平流層大氣環(huán)境模擬探測(cè)器進(jìn)入火星大氣時(shí)所處的環(huán)境，驗(yàn)證整個(gè)超聲速減速技術(shù)的減速效果。為此，美國(guó)航空航天局專門研制了用于技術(shù)試驗(yàn)的“超聲速飛行氣動(dòng)試驗(yàn)”飛行器和平流層氣球等裝置。

“超聲速飛行氣動(dòng)試驗(yàn)”飛行器質(zhì)量3600kg，由直徑4.7m的SIAD-R減速器（充氣后達(dá)6m）、大型超聲速環(huán)帆傘和星－48小型固體火箭助推器3部分組成。

試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)飛行器從位于太平洋的夏威夷由氣球攜帶進(jìn)入高空。該氣球充滿6577kg氦氣，可將試驗(yàn)飛行器帶至36600m高空，然后該飛行器與氣球分離，其攜帶的固體火箭助推器點(diǎn)火工作。最終，該飛行器將被推至54800m高空，飛行速度增至Ma為3.5。試驗(yàn)通過(guò)這一高度和飛行速度可以模擬火星著陸器進(jìn)入火星大氣時(shí)的大氣環(huán)境。此后，試驗(yàn)飛行器通過(guò)氣體發(fā)生器對(duì)SIAD-R減速器迅速充氣，將其展開(kāi)，利用充氣裝置的氣動(dòng)阻力輔助飛行器減速。當(dāng)飛行器下降速度降至Ma為2（安全開(kāi)傘速度）時(shí)，展開(kāi)大型超聲速環(huán)帆傘，通過(guò)環(huán)帆傘進(jìn)一步減速。最終，試驗(yàn)飛行器濺落在預(yù)定海域，飛行器的硬件、黑匣子數(shù)據(jù)記錄器和降落傘均被找到并回收。

本次試驗(yàn)不但驗(yàn)證了試驗(yàn)飛行器的飛行能力，還額外地對(duì)SIAD-R減速器和超聲速環(huán)帆傘進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，飛行器和SIAD-R減速器達(dá)到預(yù)設(shè)的試驗(yàn)結(jié)果，但降落傘在展開(kāi)過(guò)程中被撕裂損毀。研究小組正對(duì)降落傘的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以便于在2015年初進(jìn)行的下一次試驗(yàn)飛行中解決這一問(wèn)題。

大型超聲速環(huán)帆傘火箭滑橇試驗(yàn)（右下為滑輪系統(tǒng)）

接下來(lái)，美國(guó)航空航天局將于2015年夏季利用配有SIAD-E減速器的“超聲速飛行氣動(dòng)試驗(yàn)”飛行器對(duì)SIAD-E減速器進(jìn)行試驗(yàn)。

4 超聲速減速技術(shù)的應(yīng)用前景

采用直徑6m的SIAD-R減速器與直徑30.5m大型超聲速環(huán)帆傘方案的新型超聲速減速器，可將火星表面軟著陸質(zhì)量提高至2～2.7t。未來(lái)，通過(guò)“低密度超聲速減速器”技術(shù)發(fā)展的減速器，同時(shí)再采用4～5個(gè)降落傘組成的多傘系統(tǒng)，從而使火星表面軟著陸質(zhì)量提升至最高15t。

由于新型減速器減速效果優(yōu)于傳統(tǒng)方案，可減少火星著陸器氣動(dòng)減速的飛行距離，為高海拔地區(qū)著陸提供可能（著陸點(diǎn)的海拔高度可增加2～3km），大大增加火星表面可探測(cè)區(qū)域。這些地區(qū)往往由古老的地層組成，受到水的侵蝕也較少，是美國(guó)航空航天局未來(lái)探測(cè)的重點(diǎn)。

此外，美國(guó)航空航天局提出，利用“低密度超聲速減速器”技術(shù)實(shí)施火星著陸，將有助于提高著陸精度，可將著陸誤差橢圓從10km×10km縮小至3km×3km。

5 結(jié)論

1）美國(guó)在2020年后實(shí)施的火星機(jī)器人探測(cè)以及2030年后實(shí)施的載人火星探測(cè)，都需要較大質(zhì)量的軟著陸技術(shù)作保障。盡管美國(guó)航空航天局已在進(jìn)入和著陸段開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了一系列新技術(shù)（如，進(jìn)入段的高超聲速制導(dǎo)、著陸段的氣囊和空中吊車等），但下降段的減速技術(shù)并無(wú)實(shí)質(zhì)性進(jìn)展（如，降落傘技術(shù)始終沿用“海盜”時(shí)期的“盤-縫-帶”降落傘），因此美國(guó)航空航天局需要開(kāi)發(fā)性能更高的減速技術(shù)。

2014年6月的平流層試驗(yàn)過(guò)程示意圖

“低密度超聲速減速器”技術(shù)可增加的火星著陸區(qū)域示意圖

2）美國(guó)航空航天局認(rèn)為，環(huán)帆傘具備承受動(dòng)壓較大、開(kāi)傘點(diǎn)速度較高等優(yōu)點(diǎn)，可突破“盤-縫-帶”降落傘的尺寸極限。另外，附著式超聲速充氣氣動(dòng)減速器具備易折疊包裝、質(zhì)量輕、展開(kāi)阻力面積大、進(jìn)入時(shí)彈道系數(shù)低和產(chǎn)生的氣動(dòng)熱量小等優(yōu)點(diǎn)，可保障剛性氣動(dòng)外形和大型環(huán)帆傘減速能力的相互匹配。因此，由這兩個(gè)減速裝置組成的下降段減速方案，可突破傳統(tǒng)方案的著陸質(zhì)量極限，具有大幅提高著陸精度、著陸海拔高度的潛力。

3）美國(guó)航空航天局在完成“低密度超聲速減速器”技術(shù)地面試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又利用平流層稀薄大氣環(huán)境模擬火星環(huán)境，對(duì)該技術(shù)開(kāi)展一系列全尺寸飛行試驗(yàn)。相比于美國(guó)航空航天局正在研究的其他減速技術(shù)（高超聲速減速器、超聲速反推火箭等），技術(shù)成熟度較高的“低密度超聲速減速器”技術(shù)可確保美國(guó)盡早突破目前火星著陸質(zhì)量極限。預(yù)計(jì)2018年，美國(guó)航空航天局即可全面掌握該項(xiàng)技術(shù)，但從需求角度來(lái)看，或?qū)⒃?021年才有機(jī)會(huì)應(yīng)用該技術(shù)。