李金釗（中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院）

美國用于大質(zhì)量火星著陸的減速技術(shù)取得重要進展

李金釗（中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院）

2014年6月28日，美國航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）完成“低密度超聲速減速器”（LDSD）的首次“超聲速飛行氣動試驗”（SFDT）。美國航空航天局希望通過這項超聲速減速技術(shù)，提高未來火星任務的著陸載荷質(zhì)量、著陸點海拔高度和著陸精度。

1 “低密度超聲速減速器”項目背景

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，是進入、下降與著陸（EDL）技術(shù)的組成部分。美國自1976年著陸的“海盜”（Viking）火星著陸器到2012年著陸的好奇號（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的著陸點高度為2km[火星海拔高度是由1997年進入火星軌道的“火星全球勘測者”（MGS）探測器攜帶的火星軌道激光高度計（MOLA）測定的]，著陸質(zhì)量達960kg，是美國航空航天局利用目前掌握的減速技術(shù)在火星表面實現(xiàn)軟著陸的最大質(zhì)量。

未來火星采樣返回探測和載人火星探測等任務，需要火星探測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，美國航空航天局于2011年在“太空技術(shù)項目”（STP，旨在獲得用于未來探索小行星、火星或更遠星體任務的所必需的新技術(shù)和能力，“低密度超聲速減速器”項目則是“太空技術(shù)任務”正在開發(fā)的幾項共性技術(shù)之一）中設置了“低密度超聲速減速器”技術(shù)驗證任務，并希望通過對該項技術(shù)的驗證，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)也是美國航空航天局在火星進入、下降與著陸技術(shù)領(lǐng)域正在開發(fā)驗證的技術(shù)之一。

2 “低密度超聲速減速器”項目介紹

基本思路

針對未來火星探測任務中大質(zhì)量有效載荷著陸問題，美國航空航天局在制訂探測器進入、下降與著陸過程中的減速方案時，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外形和超聲速控制等技術(shù)難題，短時間內(nèi)難以取得突破。因而，美國航空航天局希望通過降低彈道系數(shù)的方案盡快提升減速技術(shù)。由于彈道系數(shù)與探測器進入段的質(zhì)量/阻力面積成正比，可通過增加探測器進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。

受運載火箭整流罩尺寸限制，減速器無法采用大尺寸剛性結(jié)構(gòu)增加阻力面積。因而，美國航空航天局開始關(guān)注輕質(zhì)充氣式氣動結(jié)構(gòu)減速器。未來在火星探索任務中，“低密度超聲速減速器”在發(fā)射和飛行過程中保持在未充氣狀態(tài)，滿足火箭整流罩尺寸要求。在進入氣動減速前，利用氣體發(fā)生器快速對充氣結(jié)構(gòu)進行充氣，使其迅速膨脹，增大阻力面積，降低彈道系數(shù)，實現(xiàn)減速的目標。

“低密度超聲速減速器”的組成和項目驗證內(nèi)容

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

美國航空航天局火星探測任務重要參數(shù)對比

1）超聲速充氣式氣動減速器：美國航空航天局曾于20世紀60年代開展充氣式氣動減速器技術(shù)研制，但在70年代“海盜”成功著陸火星之后便停止了該項技術(shù)的研究。在美國航空航天局提出更大著陸質(zhì)量的需求后，噴氣推進實驗室重啟充氣式減速器技術(shù)研究。本項目將分別驗證直徑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)展火星表面探測機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)展載人火星探測計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)境中通過充氣膨脹增加著陸器的氣動阻力，對超聲速（Ma為3.5以上）飛行的著陸器進行氣動減速，最終使飛行速度下降至約Ma為2，達到降落傘安全展開的條件。

2）大型超聲速環(huán)帆傘：迄今美國發(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采用的降落傘直徑為21.5m，開傘速度Ma為1.77，已達到“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)帆傘的開傘沖擊載荷較小、穩(wěn)定性好，具有相當高的可靠性（美國載人飛船著陸系統(tǒng)的主傘都采用這種環(huán)帆傘結(jié)構(gòu)）。美國噴氣推進實驗室綜合考慮減速效率、穩(wěn)定性和超聲速環(huán)境下的開傘效果等因素，最終決定采用質(zhì)量100kg、直徑30.5m的超聲速環(huán)帆傘，其開傘速度可達Ma為2，面積幾乎是好奇號的2倍。

減速過程

SIAD-R（左）和SIAD-E（右）減速器

當探測器進入火星大氣時，其飛行速度一般Ma為3～4，利用“超聲速充氣式氣動減速器”充氣膨脹，增大探測器的氣動阻力以降低飛行速度。當速度降至Ma約為2（安全開傘速度）時，再利用降落傘進一步減速。

3 “低密度超聲速減速器”的驗證

已完成的地面試驗

美國航空航天局已對“低密度超聲速減速器”項目進行了多次地面試驗。由于“低密度超聲速減速器”項目中采用的超聲速充氣式氣動減速器和大型超聲速環(huán)帆傘的尺寸較大，無法在超聲速風洞中進行氣動力學試驗，因而地面試驗都是利用火箭滑橇進行的。

2012年10－11月，美國航空航天局對SIAD-R減速器進行了3次火箭滑橇試驗。試驗中，火箭滑橇將直徑4.6m的氣動殼體加速到134m/s，模擬其在火星大氣層內(nèi)膨脹時所處的氣動力環(huán)境，然后使SIAD-R減速器充氣膨脹展開（直徑達到6m）并開始減速。雖然SIAD-R減速器膨脹時無法達到火星降落時的速度，但由于地球表面大氣密度較高，此次試驗中SIAD-R減速器所承受的壓力比預期火星任務目標高25%。試驗結(jié)果表明，SIAD-R減速器可在所需的動壓環(huán)境下瞬間展開定型，達到預期的減速效果。

直徑30.5m的超聲速環(huán)帆傘

未來火星軟著陸過程示意圖

美國航空航天局對大型超聲速環(huán)帆傘也進行了試驗。首先利用直升機將降落傘送到空中，降落傘通過一根1km長的由加強型凱夫拉纖維制成的繩索與火箭滑橇連接。試驗中，利用滑輪系統(tǒng)將滑橇對降落傘560kN的拉力方向改為向下。試驗表明，直徑30.5m環(huán)帆傘可順利展開。

正在開展的一系列平流層“超聲速飛行氣動試驗”

SIAD-R減速器火箭滑橇試驗

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

“超聲速飛行氣動試驗”飛行器質(zhì)量3600kg，由直徑4.7m的SIAD-R減速器（充氣后達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。

試驗過程中，試驗飛行器從位于太平洋的夏威夷由氣球攜帶進入高空。該氣球充滿6577kg氦氣，可將試驗飛行器帶至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。試驗通過這一高度和飛行速度可以模擬火星著陸器進入火星大氣時的大氣環(huán)境。此后，試驗飛行器通過氣體發(fā)生器對SIAD-R減速器迅速充氣，將其展開，利用充氣裝置的氣動阻力輔助飛行器減速。當飛行器下降速度降至Ma為2（安全開傘速度）時，展開大型超聲速環(huán)帆傘，通過環(huán)帆傘進一步減速。最終，試驗飛行器濺落在預定海域，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。

本次試驗不但驗證了試驗飛行器的飛行能力，還額外地對SIAD-R減速器和超聲速環(huán)帆傘進行了試驗。試驗結(jié)果表明，飛行器和SIAD-R減速器達到預設的試驗結(jié)果，但降落傘在展開過程中被撕裂損毀。研究小組正對降落傘的數(shù)據(jù)進行分析，以便于在2015年初進行的下一次試驗飛行中解決這一問題。

大型超聲速環(huán)帆傘火箭滑橇試驗（右下為滑輪系統(tǒng)）

接下來，美國航空航天局將于2015年夏季利用配有SIAD-E減速器的“超聲速飛行氣動試驗”飛行器對SIAD-E減速器進行試驗。

4 超聲速減速技術(shù)的應用前景

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，通過“低密度超聲速減速器”技術(shù)發(fā)展的減速器，同時再采用4～5個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減速的飛行距離，為高海拔地區(qū)著陸提供可能（著陸點的海拔高度可增加2～3km），大大增加火星表面可探測區(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，是美國航空航天局未來探測的重點。

此外，美國航空航天局提出，利用“低密度超聲速減速器”技術(shù)實施火星著陸，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）美國在2020年后實施的火星機器人探測以及2030年后實施的載人火星探測，都需要較大質(zhì)量的軟著陸技術(shù)作保障。盡管美國航空航天局已在進入和著陸段開發(fā)并應用了一系列新技術(shù)（如，進入段的高超聲速制導、著陸段的氣囊和空中吊車等），但下降段的減速技術(shù)并無實質(zhì)性進展（如，降落傘技術(shù)始終沿用“海盜”時期的“盤-縫-帶”降落傘），因此美國航空航天局需要開發(fā)性能更高的減速技術(shù)。

2014年6月的平流層試驗過程示意圖

“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）美國航空航天局認為，環(huán)帆傘具備承受動壓較大、開傘點速度較高等優(yōu)點，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減速器具備易折疊包裝、質(zhì)量輕、展開阻力面積大、進入時彈道系數(shù)低和產(chǎn)生的氣動熱量小等優(yōu)點，可保障剛性氣動外形和大型環(huán)帆傘減速能力的相互匹配。因此，由這兩個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）美國航空航天局在完成“低密度超聲速減速器”技術(shù)地面試驗的基礎(chǔ)上，又利用平流層稀薄大氣環(huán)境模擬火星環(huán)境，對該技術(shù)開展一系列全尺寸飛行試驗。相比于美國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)可確保美國盡早突破目前火星著陸質(zhì)量極限。預計2018年，美國航空航天局即可全面掌握該項技術(shù)，但從需求角度來看，或?qū)⒃?021年才有機會應用該技術(shù)。