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火星重量级太空船新著陆技术愿景,纳入升力原理

2024-11-23 207

人类探索火星的计划与规模越来越宏伟,降落在火星地表的太空船船体也越来越大,传统软着陆技术已逐渐无法负荷。科学家最近探讨了一种结合升力原理的新著陆策略,透过升力作用让高速下降的太空船于大气层多停留一段时间达到减速目的,减少推进器燃烧时需携带的燃料量,以释出更多空间给其余有效载荷。

当太空飞行器(载人飞船、卫星、航天飞机等)从太空返回地球时,大气层如一个天然的强力刹车系统,在将动能转为热能的过程中,把飞行器的速度从极音速(hypersonic)减到超音速。同理,火星任务也是如此,只不过火星大气层比地球大气层还要稀薄百倍,所以它的刹车效果差很多。

科学家已有各种软着陆减速方法,比如改变轨道利用大气层摩擦阻力逐步减速,或借由减速降落伞(parachute)、空中起重机(sky crane)、减速火箭(推进器点火反向推进,抵销降落速度)等装置。一般来说,每种太空飞行器都会采取多道减速方式来达到软着陆目的。

目前,冲入火星并安全着地的着陆器最高速度可达 30 马赫(35,812 公里 / 时),最终阶段再靠降落伞、火箭让垂直速度降到最小,使着陆器安然停在地表。

以 NASA 洞察号为例,探测器最初以时速 19,800 公里的速度进入大气层,藉大气阻力逐渐让探测器速度降至约时速 1,350 公里,最后离地约 16 公里时隔热罩弹开,换打开降落伞缓冲;离地 2 公里时,降落伞脱落,着陆器底部 12 个火箭助推器点火抵消降落速度,然后稳稳停在火星表面。

但是,这些方法只适用于“目前”较轻的着陆器,等以后发射较重的载人飞船任务,火星大气根本来不及帮飞船减速。来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的科学家们,最近试着探讨未来有效载荷范围介于 5~20 吨的重量级任务,该采取哪些着陆技术。

航太工程系助理教授 Zach Putnam 指出,应依靠火箭来替着陆器降速至 3 马赫(3,581 公里 / 时),然而这又代表要携带更多燃料,可能会占用其他科学载荷的空间。为了减少燃料负荷,团队希望制造一个具有偏移重心与保护着陆器的减速伞壳(aeroshell),在进入大气层后可以产生升力并转向,《New Atlas》报导指出,这与阿波罗指挥舱(Command Module,CM)当时进入地球大气层的原理相同。

该技术关键在于引擎点燃时的高度、切入大气层的角度等,必须在恰当时刻切换,使太空船在大气密度较高的地方升起、停留更多时间飞行,藉大气阻力降速。新论文发表在《Spacecraft and Rockets》期刊。

  • Nosedives would make for better landings on weighty Mars missions
  • We’ll Need A Whole New Landing Approach to Put Humans On Mars

(首图来源:伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校)

2019-03-10 16:31:00

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