EDL技術(shù)：載人火星探索的關(guān)鍵

□ 黃志澄

最近美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)，在對(duì)美國(guó)航宇局（NASA）的載人火星探索任務(wù)的評(píng)估報(bào)告中，將“進(jìn)入、下降與著陸（Entry, Descent, and Landing,EDL）”技術(shù)，列為載人火星探索任務(wù)的第一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。其余兩項(xiàng)分別是空間推進(jìn)及能源和輻射安全。對(duì)于載人火星探索任務(wù)，為何EDL 技術(shù)會(huì)顯得如此重要？為了問答這個(gè)問題，就讓我們首先從“好奇”火星探測(cè)器的EDL過程說起。

“好奇”的恐怖7分鐘

以核電池作為動(dòng)力、重為899千克的“好奇”號(hào) 火星車，是NASA迄今為止最為先進(jìn)的火星車。它在NASA還有一個(gè)學(xué)名，叫做“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”（MSL）。它于2011年11月26日發(fā)射升空，并在2012年8月6日在火星表面著陸。

NASA設(shè)計(jì)“好奇”號(hào)時(shí)，遇到的最大困難，就是它的EDL系統(tǒng)。2012年8月4日，在“好奇”即將飛抵火星時(shí)， NASA發(fā)布了一個(gè)5分鐘長(zhǎng)的視頻，名叫“‘好奇’的恐怖7分鐘”。這個(gè)視頻說明：從“好奇”號(hào)進(jìn)入火星大氣層起，直到它的輪子觸及火星表面，需要在7分鐘時(shí)間內(nèi)，將它的時(shí)速從20920千米降至零。這是生死攸關(guān)的7分鐘。特別是“好奇”號(hào)并沒有采取過去采用的制動(dòng)火箭、氣囊、著陸支撐等方案，而是大膽地采用了“天空起重機(jī)（Sky Crane）”的著陸方案。這個(gè)方案在地面是無法進(jìn)行完全的模擬試驗(yàn)的，因此存在很大風(fēng)險(xiǎn)。方案是否成功，就在此一舉。

“好奇”號(hào)在EDL階段，超過90%的減速是在打開降落傘之前，由探測(cè)器和火星大氣之間的劇烈摩擦而實(shí)現(xiàn)的。大約在“好奇”號(hào)進(jìn)入大氣層之后75秒，隔熱罩的溫度達(dá)到了最高值，此時(shí)隔熱罩外表面溫度高達(dá)2100攝氏度。大約又經(jīng)過10秒，就達(dá)到最大減速值。減速的最大負(fù)載可達(dá)10g -15g?！昂闷妗碧?hào)在進(jìn)入火星大氣層254秒后，開啟了直徑約16米的降落傘，此時(shí)距離火星地表大約11千米，探測(cè)器的速度為每秒405米。在降落傘打開24秒后，探測(cè)器與前隔熱罩分離，此時(shí)高度約8000米，速度為125米/秒。此時(shí)，火星車和“天空起重機(jī)”的下降級(jí)仍在后隔熱罩內(nèi)。在前隔熱罩分離約85秒后，后隔熱罩和與其連接的降落傘與“下降級(jí)及火星車組合體”分離。此時(shí)離地面約1.6千米，速度為80米/秒。與此同時(shí)下降級(jí)上安裝的8臺(tái)反推發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，進(jìn)入有動(dòng)力的緩慢下降階段。當(dāng)組合體距離地面高度約20米，速度降至大約0.75米/秒之后，伸出幾根纜繩，將火星車從下降級(jí)中吊出，懸掛在下面。隨后，組合體將持續(xù)保持這一速度，直到16秒后，將火星車穩(wěn)穩(wěn)地放置在地面上為止。

由于火星大氣層的不確定性，導(dǎo)致“好奇”號(hào)在EDL過程中每一步驟發(fā)生的時(shí)間和相應(yīng)的高度，都存在一定的誤差。整個(gè)EDL過程可能在380秒～460秒之間。變數(shù)最大的是在降落傘打開后將飛行多長(zhǎng)時(shí)間，可能在55秒～170秒之間。由此可見，為了保障著陸成功，將對(duì)EDL的“導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制”（GNC）技術(shù)，提出了很高的要求。

“好奇”號(hào)的EDL過程

載人火星探索的EDL更加困難

實(shí)際上，至今各國(guó)發(fā)射的無人登陸火星的探測(cè)任務(wù)共有19次，只有7次能登陸成功，其中最重的是“好奇”號(hào)，其著陸質(zhì)量也不到1噸。因此，比“好奇”號(hào)重得多，質(zhì)量達(dá)10噸～50噸的載人火星飛船，其EDL技術(shù)的難度將更大。

首先，由于火星大氣層的特性非常復(fù)雜，并隨時(shí)間和地點(diǎn)都有變化，相比地球大氣層而言，我們對(duì)它又知之甚少，因而存在很大的不確定性，這就較難控制其著陸精度。其次，火星大氣層和地球完全不同，其主要成分是二氧化碳，大氣的密度又不到地球大氣的百分之一。如何在不到10分鐘的EDL時(shí)間內(nèi)，在這樣稀薄的大氣中，把飛船速度從超高聲速，一直降到零,就顯得十分困難。尤其困難的是中間的“下降”階段，要將相當(dāng)大的軌道能量，在接近火星地表前，減到不足原來的1%。再次，由于火星的地形地貌十分復(fù)雜，載人飛船只有實(shí)現(xiàn)比無人時(shí)更精確的著陸，才能確保人員的安全。一般來說，無人火星探測(cè)器的落點(diǎn)精度為小于5千米，而載人火星探索任務(wù)將要求小于100米，這就大大增加了載人火星探索任務(wù)EDL技術(shù)的難度。

問題不僅至此為止，火星大氣雖然稀薄，但對(duì)于高速進(jìn)入的載人飛船來說，仍然產(chǎn)生了嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱。由于隨著飛船尺寸的增大，其雷諾數(shù)必然增加，從而使探測(cè)器表面的邊界層，將提前轉(zhuǎn)換成湍流，從而使表面的熱流密度大大增加。美國(guó) “火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MSL）”的風(fēng)洞試驗(yàn)表明，在70度倒球錐的后部，湍流的熱流密度，將是層流時(shí)的6倍，從而迫使NASA在2008年重新設(shè)計(jì)了MSL的防熱系統(tǒng)（TPS），從較輕的SLA-561V，改成更耐熱的 PICA 。未來的載人火星飛船的尺寸更大；同時(shí)，無人火星探測(cè)器最大進(jìn)入速度僅為7.6千米/秒,而載人火星探索任務(wù)的進(jìn)入速度，可達(dá)到9.0千米/秒，因此，氣動(dòng)加熱問題將為更加突出。

NASA將載人火星探索任務(wù)的EDL技術(shù)分成高超聲速、超聲速和亞聲速終點(diǎn)下降等三個(gè)階段，附圖列出了每個(gè)階段的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于未來的載人火星探索任務(wù)，將會(huì)選擇和組合使用圖上提及的各項(xiàng)EDL技術(shù)。

NASA 正在研究的各種EDL技術(shù)

NASA 正在研究的各種EDL方案

中等升阻比的進(jìn)入飛行器

美國(guó)無人火星探測(cè)器的EDL有兩種模式。一種是最初的“海盜”和最近的“MSL”，采用的是升力式進(jìn)入；而其余的“火星探路者”、“鳳凰”、“勇氣”、“機(jī)遇”等都是采用彈道式進(jìn)入。彈道式進(jìn)入時(shí)探測(cè)器的總加熱量較小，但最高的熱流密度較大。升力式進(jìn)入的結(jié)果卻與此相反。升力式進(jìn)入還可以減小過載，增加機(jī)動(dòng)距離，提高落點(diǎn)精度。但是，就“MSL”而言，其升阻比也并不太大，只有0.24左右，這顯然難以滿足載人火星探索任務(wù)氣動(dòng)加熱更加嚴(yán)重時(shí)的要求。為此，NASA正在研究一種“中等升阻比的進(jìn)入飛行器”，其升阻比將在0.4至0.8之間，可能的外形是鈍雙錐或鈍橢圓柱。

目前NASA 蘭利研究中心已經(jīng)在馬赫數(shù)為6.0的0.6米風(fēng)洞中，對(duì)中等升阻比的外形進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，其邊界層的轉(zhuǎn)捩特性，將取決于其外形的變化。目前，NASA對(duì)于未來的載人火星的進(jìn)入，是采用傳統(tǒng)的倒鈍錐外形，還是采用中等升阻比外形，并未做出決策，估計(jì)這要等到載人火星探索任務(wù)的總體方案決定之后，才能最后定案。若是總體方案要求登陸艙和居住艙一起進(jìn)入火星大氣層，則有可能采用中等升阻比的外形。

NASA系統(tǒng)分析表明，在載人火星探索任務(wù)EDL過程的高超聲速階段，采用中等升阻比的外形比起使用在下節(jié)介紹的“高超聲速充氣氣動(dòng)減速器(HIAD)”來，將增加20%的質(zhì)量。因此，NASA的研究人員正在對(duì)中等升阻比的外形和進(jìn)入軌道進(jìn)行優(yōu)化，使其最大熱流密度和總加熱量進(jìn)一步減小，從而使它能夠采用NASA在“高超聲速充氣式氣動(dòng)減速器（HIAD）”計(jì)劃中發(fā)展的柔性防熱材料，來設(shè)計(jì)其TPS系統(tǒng)，以減少其質(zhì)量。

中等升阻比外形與HIAD方案的比較

IRVE-3在車間

HIAD的EDL過程

高超聲速充氣式氣動(dòng)減速器(HIAD)

為了確保更大質(zhì)量有效載荷能在火星表面精確著陸，NASA正在發(fā)展一系列的創(chuàng)新技術(shù)。對(duì)于載人火星探索任務(wù)，若使用“好奇”用過的傳統(tǒng)降落傘，其面積將有一個(gè)足球場(chǎng)那樣大，已經(jīng)沒有了實(shí)際應(yīng)用的可能。這時(shí)，一種“充氣式氣動(dòng)減速器（IAD）”就應(yīng)運(yùn)而生了。IAD將防熱與減速兩種功能集于一身，而且具有質(zhì)量輕、可折疊等優(yōu)點(diǎn)，在載人火星探索任務(wù)中將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。例如，NASA設(shè)想的HIAD方案，當(dāng)載人飛船進(jìn)入火星大氣層后可以膨脹開來，其直徑在數(shù)秒內(nèi)從大約4.5米變?yōu)榇蠹s23米，并采用特殊的高強(qiáng)度耐高溫材料，可以耐得住進(jìn)入火星大氣層時(shí)所遇到的高溫環(huán)境。

NASA為了研究試驗(yàn)HIAD方案,已進(jìn)行了一系列“充氣式再入飛行器試驗(yàn)（IRVE）”的飛行試驗(yàn)。2007年在弗吉尼亞州沃勒普斯發(fā)射場(chǎng)，NASA進(jìn)行了IRVE-1試驗(yàn)，由于驗(yàn)證飛行器與“黑雁”探空火箭分離時(shí)失敗，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

2009年8月17日，進(jìn)行了IRVE-2試驗(yàn)，它由“黑雁”9探空火箭將試驗(yàn)飛行器推到211千米的高度后，末級(jí)火箭攜帶驗(yàn)證飛行器以超聲速下落。發(fā)射后90秒，IRVE-2被釋放。在自由下落了3分30秒后，防熱罩開始充氣。根據(jù)傳感器信息顯示，防熱罩可充氣達(dá)到全尺寸，且姿態(tài)穩(wěn)定。隨后的30秒內(nèi)，研究人員搜集了熱流密度和壓力的數(shù)據(jù)。

2012年7月23日，NASA進(jìn)行了IRVE-3 試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中再入速度達(dá)到3千米/秒，最高熱流密度接近20 W/cm2。充氣式防熱罩使用了組合結(jié)構(gòu)，防熱層使用了Nextel 312、承力結(jié)構(gòu)使用了Kevlar、氣密層使用了Kapton，鼻錐則使用了Teflon。這樣的組合使得飛行器能抵抗1260℃的高溫。

NASA還計(jì)劃進(jìn)行IRVE-4試驗(yàn)，主要驗(yàn)證其控制系統(tǒng)的性能。此外，在HIAD計(jì)劃中，還有兩次“高能大氣再入試驗(yàn)”（HEART）的飛行試驗(yàn)。試驗(yàn)將利用更大的充氣式防熱罩（直徑可能達(dá)到8米），以探索這種技術(shù)在更加嚴(yán)苛的再入環(huán)境下的適應(yīng)性，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

當(dāng)前，發(fā)展HIAD的主要關(guān)鍵是總體優(yōu)化設(shè)計(jì)、確定其氣動(dòng)熱力學(xué)性能、研發(fā)輕質(zhì)的防熱材料，解決折疊和展開的穩(wěn)定性問題。

LDSD的飛行試驗(yàn)略圖

LDSD的外形

在車間裝配中的LDSD

低密度超聲速減速器（LDSD）

NASA除了發(fā)展HIAD而進(jìn)行一系列飛行試驗(yàn)之外，還在研發(fā)“低密度超聲速減速器（The Low Density Supersonic Decelerator ,LDSD）”。NASA當(dāng)前正在為L(zhǎng)DSD項(xiàng)目研發(fā)三款裝置，其中兩款為“超聲速充氣式氣動(dòng)減速器（Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator, SIAD）”。6米的SIAD-R減速裝置，主要面向機(jī)器人任務(wù)；而8米的SIAD-E減速裝置，則適合于載人任務(wù)。另一款裝置則是30.5米的“巨型超聲速降落傘”。前兩款裝置在未開啟時(shí)，能夠容納在很小的容器中；而在展開時(shí)，將快速充氣膨脹，從而能夠?qū)崿F(xiàn)從3.5馬赫到2馬赫的降速效果。然后，再打開上述的巨型超聲速降落傘，把探測(cè)器進(jìn)一步減速至亞聲速。

SIAD的設(shè)計(jì)思想?yún)⒖剂讼耐暮与嗟奶匦裕@種河豚遇到外來的敵人時(shí)，可讓身體迅速膨脹。由聚乙烯膜制成的SIAD設(shè)計(jì)成半球形，在它進(jìn)入火星大氣層后能迅速膨脹，在完全展開后它的面積達(dá)到足球場(chǎng)大小，大大增加了它與火星稀薄大氣的接觸面積，從而增加阻力而使探測(cè)器減速。它外層的隔熱裝置可以采用消耗性材料。SIAD和HIAD的最大差別就在于SIAD的防熱措施要簡(jiǎn)單得多。

為了在地球上進(jìn)行模仿火星大氣層的試驗(yàn)，NASA的工程師們決定將LDSD的試驗(yàn)平臺(tái)，提升至地球平流層中進(jìn)行試驗(yàn)。在哥倫比亞科學(xué)氣球基金提供的氦氣球幫助下，首先將試驗(yàn)平臺(tái)送到太平洋上空37千米處。然后在火箭助推下爬升至55千米高空。在這里的大氣密度接近火星的大氣層后，試驗(yàn)平臺(tái)將以4馬赫左右的速度高速下落。然后。試驗(yàn)平臺(tái)的減速器將會(huì)膨脹使它減速，再通過減速傘進(jìn)一步減速，最終落入太平洋。

NASA在6月28日在夏威夷考艾島的導(dǎo)彈試驗(yàn)場(chǎng)，對(duì)SIAD進(jìn)行首次測(cè)試。在這次試驗(yàn)中，雖然實(shí)現(xiàn)了SIAD的充氣膨脹，但大降落傘卻沒有打開。如果今后的試驗(yàn)一切順利的話，NASA有望于2020年開始將LDSD投入使用。

單噴口反向推進(jìn)的流場(chǎng)

反向推進(jìn)的總阻力系數(shù)

反向推進(jìn)的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

反向推進(jìn)的飛行試驗(yàn)

超聲速反向推進(jìn)(SR)

NASA很早就開始了超聲速反向推進(jìn)的研究試驗(yàn)工作。在上世紀(jì)50至70年代，作為對(duì)空氣動(dòng)力減速裝置的增強(qiáng)方案，在蘭利研究中心的風(fēng)洞中，進(jìn)行過一系列風(fēng)洞試驗(yàn)。這些試驗(yàn)的結(jié)果，顯示了在探測(cè)器前面的噴流與探測(cè)器前的弓形激波，會(huì)發(fā)生復(fù)雜的相互作用，從而產(chǎn)生了十分復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象。

由圖可見，對(duì)于單噴管的情況，在噴口和弓形激波之間，又形成了一個(gè)噴流激波，其位置取決于噴流的總壓與來流總壓之比。在以后的30年內(nèi)，這項(xiàng)研究試驗(yàn)工作基本上處于停滯狀態(tài)。直到2000年以后，NASA在研發(fā)“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”的EDL方案時(shí)，才重新提出來。該項(xiàng)技術(shù)就是在飛行器進(jìn)入火星大氣層時(shí)，依靠反推火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)飛行器進(jìn)行減速，但在下降階段只使用反推火箭一項(xiàng)技術(shù)，則需要的燃料太多，而且難于保證降落時(shí)的穩(wěn)定性，因此，應(yīng)將這項(xiàng)技術(shù)和其它技術(shù)組合起來使用。

將超聲速反向推進(jìn)用于火星EDL時(shí)，飛行器總的阻力系數(shù)是飛行器的氣動(dòng)阻力系數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)推力系數(shù)之和。此時(shí)，氣動(dòng)阻力系數(shù)約為1.5左右,而推力系數(shù)約為10左右。因此，推力系數(shù)將起決定性作用。NASA在2009年提出的“載人火星探索設(shè)計(jì)參考體系結(jié)構(gòu)（DRA5.0）”中，設(shè)想的超聲速反向推進(jìn)方案是采用6個(gè)液氧/液甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，最大推力為300千牛。

蘭利研究中心在其UPWT風(fēng)洞和Ames研究中心在它的2.7米x2.1米的風(fēng)洞中，對(duì)同一模型（700球錐柱，有1至4個(gè)噴口）進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)的推力對(duì)飛行器壓力系數(shù)的影響。今后這項(xiàng)技術(shù)的研究重點(diǎn)是研究大發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)流問題，并確定噴流和超聲速來流的相互影響。為了確定噴流對(duì)飛行器氣動(dòng)力性能的影響和采用有效的防熱措施，需要進(jìn)行廣泛的流體力學(xué)（CFD）計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)，并計(jì)劃利用探空火箭和氣球在地球上空進(jìn)行飛行試驗(yàn)。

NASA的《載人火星探索設(shè)計(jì)參考體系結(jié)構(gòu)5.0》

SpaceX公司的第二代“龍”飛船

著陸技術(shù)需要提前預(yù)研

對(duì)于載人火星探索任務(wù)的終點(diǎn)下降的方案，由于載重的限制，“好奇”號(hào)的“天空起重機(jī)”方案，似乎已不再適用，目前可采用的方案包括氣囊 、著陸輪和著陸柱、反推火箭和可粉碎的能量吸收器等，當(dāng)然也包括以上述各種方案的組合。這里我們注意到，今年5月29日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司發(fā)布了第二代“龍”飛船概念。這艘配備了7個(gè)座位的載人飛船有望在2017年正式飛往太空。依靠探測(cè)器外部呈X形布置的4組共8臺(tái)SuperDraco發(fā)動(dòng)機(jī)，“龍”飛船可以在低空減速乃至懸停，并伸出4個(gè)支架，以降落在選定的任何地方。這一技術(shù)有可能用于未來的載人火星探索任務(wù)。

綜合以上分析，未來的載人航天任務(wù)，將在上述的各種EDL技術(shù)中進(jìn)行選擇和組合。究竟如何組合，將取決于載人火星探索任務(wù)的總體方案和相關(guān)技術(shù)的成熟程度。目前，NASA有關(guān)載人火星探索任務(wù)的總體方案，只有2009年7月發(fā)布的《載人火星探索設(shè)計(jì)參考體系結(jié)構(gòu)5.0(DRA5.0)》，估計(jì)這個(gè)體系結(jié)構(gòu)，在今后還會(huì)根據(jù)任務(wù)要求和各分系統(tǒng)的進(jìn)展而有所變化。

眾所周知，發(fā)展EDL技術(shù)，需要多學(xué)科（如總體、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、材料、控制等）的協(xié)作攻關(guān)。主要的手段包括分析計(jì)算、地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)等三種。在地球上空進(jìn)行的飛行試驗(yàn)雖然很重要，但它也并不能完全模擬火星EDL的真實(shí)情況，而進(jìn)行火星上的飛行試驗(yàn)的機(jī)會(huì)，少之又少。因此，要促使這些技術(shù)逐步走向成熟，其難度肯定很大。對(duì)此，蘭利研究中心的載人火星探索任務(wù)EDL項(xiàng)目的主管米歇爾?孟克在給美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)提交的報(bào)告中認(rèn)為，未來的載人火星探索任務(wù)正面臨EDL技術(shù)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，突破這些關(guān)鍵技術(shù)，將需要超過20年的時(shí)間。由此可見，中國(guó)在載人火星探索EDL技術(shù)方面，應(yīng)該及早啟動(dòng)全面、系統(tǒng)的預(yù)研工作。