淺談未來宇航員登陸火星的難點所在!克服火星的“詛咒”!

登陸火星是一項非常困難的挑戰,自20世紀60年代以來發射到火星的航天器中,只有53%能夠完好無損地到達火星表面。迄今為止,成功登陸火星最重的飛行器是“好奇號”漫遊者,重達1公噸。在未來,美國宇航局和其他航天機構計劃將發送有效載荷,其質量從5噸到20噸不等,它們能否克服火星的“詛咒”完整地降落到火星將決定著未來人類登陸火星的關鍵。

淺談未來宇航員登陸火星的難點所在!克服火星的“詛咒”!


在未來的幾十年裡,科學家們的火星計劃將執行一系列任務,其中包括首次派遣宇航員前往火星。這帶來了許多後勤和技術上的挑戰,從純粹的距離到加強輻射防護的需要。與此同時,登陸這顆紅色星球也存在困難,即所謂的“火星詛咒”----在火星上著陸更重的有效載荷,瞄準地面,然後在最後一刻穩穩地停下來!

淺談未來宇航員登陸火星的難點所在!克服火星的“詛咒”!


但是科學家認為更復雜的是,未來任務的規模和質量(特別是載人飛船)將超出目前的進入、下降和著陸(EDL)技術的能力。為了解決這個問題,一個航空航天科學家團隊發佈了一項研究,該研究表明,在低空制動推力和飛行路徑角度之間的權衡,可以讓重型任務安全地在火星著陸。

簡單地說,在大多數情況下,在探測器即將進入火星時,相當於一輛以30馬赫的高超音速進入火星大氣層的飛行器,然後由於空氣摩擦而迅速減速。一旦速度達到3馬赫,他們就會打開降落傘,發射反火箭進一步減速。據研究團員表示,更重要的任務問題是,降落傘系統在增加車輛質量的情況下不能很好地伸縮。

淺談未來宇航員登陸火星的難點所在!克服火星的“詛咒”!


不幸的是,反向火箭發動機燃燒大量推進劑,這增加了整個火箭的質量——這意味著需要更重的運載火箭,任務的成本最終會更高。此外,航天器需要的推進劑越多,用於有效載荷、貨物和人員的體積就越小。

於是,科學家誕生了一個新的想法:取消降落傘,使用更大的火箭發動機來下降,我們可以想象當一輛車以超音速飛行時,在火箭發動機點火之前,會產生一些升力,我們可以用升力來控制方向。如果我們移動重心,使它重力分配不均,它將以不同的角度飛行。

淺談未來宇航員登陸火星的難點所在!克服火星的“詛咒”!


這是一幅用反推進器操縱宇宙飛船的插圖。

首先,科學家研究了飛行器撞擊火星大氣層時周圍的壓差。基本上,探測器周圍的氣流在頂部和底部是不同的,這就產生了一個方向的升力。當飛行器在大氣層中減速時,可以利用這種原理得到實現。

因此,飛船可以在此時使用反向火箭來精確著陸,當然,問題是在什麼高度發射火箭。比如我們知道我們要以3馬赫的速度點燃下降引擎,我們應該如何在高超音速的情況下控制飛行器的空氣動力學,這樣我們就可以使用最少的推進劑,並使我們可以著陸的有效載荷的質量最大化?因此為了最大限度地增加我們能在地面著陸的質量,點燃下降引擎的高度很重要,但速度矢量與地平線的夾角也很重要,即你進入地面的傾斜度。最後科學家發現,最好是在升力矢量指向下方的情況下進入火星大氣層,這樣飛行器就可以俯衝,然後(根據時間和速度)改變升力,在低空飛行。

這項研究的結論可以為未來的火星任務提供信息,特別是在運載貨物和船員的重型航天器方面。尤其是宇航員能夠在火星安全著陸而不被火星恐怖的引力所摧毀,這是至關重要的。


分享到:


相關文章: