火星是一颗非常有趣的星球,但同时也是太阳系内最难造访的星球之一,尤其是携带大量“行李”的情况下。这颗红色星球向来是探索任务的坟地,很多飞船最终都命丧火星之手。不过,我们仍希望对火星进行载人探索,未来甚至要将火星打造成人类的殖民地。为了实现这个梦想,我们需要战胜一系列挑战,其中一个便是具备运送重型负荷的能力。

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艺术概念图,“洞察”号着陆器进入火星大气层

火星是一个如此有趣的地方,因为它实际上是太阳系中最难去的地方之一,尤其是如果你想带很多“行李”的话。那颗行星是一些不太成功任务的墓地。

向火星运送重型负荷,这话说起来容易,做起来却难如登天。火星任务面临诸多挑战,包括缺少保护性磁气圈和地表重力低,但最大的一个挑战还是稀薄的大气层。如果不穿航天服站在火星表面,要么冻死,要么缺氧窒息而死。火星的大气压不到地球的1%。如此稀薄的大气层让重型负荷安全落地成为一项超乎寻常的挑战。迄今为止,只有53%的火星任务还算顺利。

随着我们不断增长的雄心壮志,我们将需要解决太空探索中一个最大的问题。成功将重型有效载荷降落在火星表面真的很难。

“好奇”号进入火星大气层

在火星上面临着一系列挑战,包括缺乏保护的磁层和较低的表面重力。但其中最大的一个问题就是它稀薄的二氧化碳大气层。如果你站在火星表面,不穿宇航服,你会冻死,缺氧窒息。

登陆是最大挑战

事实证明,这种稀薄的大气层使得将重型有效载荷安全地送到火星表面变得极具挑战性。事实上,实际只有53%的火星任务是正常运行的。

火星与地球间的最接近点大约每两年出现一次,因此火星任务的发射窗口每两年打开一次。ExoMars任务2016年发射,“洞察”号2018年启程,“火星2020”探测车将在2020年奔赴这颗红色星球。在设计上,地火之旅要么追求最快速度,要么携带最少燃料。

那么,让我们来谈谈火星任务在过去是如何工作的,这将向你展示问题所在。

进入火星大气层时,飞船的速度可达到每小时数万公里。飞船必须减速,而后才能平稳着陆。在地球上,你可以利用浓密的大气层减速。类似的技术也可用于金星或者土卫六“泰坦”,因为它们都拥有厚重的大气层。月球没有大气,着陆方式直截了当。如果没有大气层,飞船就无需隔热罩,只需借助反推力便可减速,直至平稳降落。

登陆火星是最糟糕的

在天空起重机的帮助下,“好奇”号平稳着陆

从历史上看,火星任务是在每两年左右,当地球和火星接近时从地球发射的。2016年的“ExoMars”任务,2018年的“洞察号”,2020年的“火星2020探测器”。

”好奇“号已是极限

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火星探测器的降落通常从减速壳开始,减速壳能够消除飞船的部分速度。“好奇”号是迄今为止造访火星的最重探测器,重量达到1吨。进入火星大气层时,“好奇”号的速度达到时速2.2万公里。它的减速壳也是火星探索史上最大,宽度达到4.5米。这个巨型减速壳以一定角度倾斜,允许“好奇”号在进入火星大气层后转向,奔赴指定的着陆区。

洞察号着陆器开始进入火星,下降和着陆阶段的想象图

在距地面大约131公里的高度,“好奇”号点燃助推器,调整飞行路线。在火星大气层飞行了大约80秒后,隔热罩承受的温度飙升到2100摄氏度。为了防止熔化,隔热罩采用了一种名为“酚碳热烧蚀板”的特殊材料。SpaceX的“龙”飞船也采用这种材料。

这些飞行任务遵循星际转移轨道,以最快的速度到达那里,或者用最少的燃料到达那里。

SpaceX星际飞船艺术概念图

当宇宙飞船进入火星大气层时,它正以每小时数万公里的速度飞行。它必须以某种方式失去所有的速度,然后轻轻地降落在红色星球的表面。

速度减至不到2.2马赫后,“好奇”号打开16米宽的降落伞。降落伞产生2.9万公斤阻力,进一步减缓“好奇”号的下落速度。它的伞绳由Technora和Kevlar纤维制成,是已知最坚固并且最耐热的材料。随后,“好奇”号抛弃降落伞,利用制动火箭进一步减速。当与地面足够近时,“好奇”号启动天空起重机,最终平稳着陆。

在地球上,你可以用厚厚的地球大气层来减缓你的下降速度,用一个隔热罩来降低你的速度。当77吨的轨道飞行器从每小时28000公里降到了零的过程中,航天飞机的防热瓦设计用于吸收重返大气层的热量。类似的技术也可以用在金星或土卫六上,那里有厚厚的大气层。

很难按比例放大

没有任何大气层的月球也相对容易着陆。在没有任何大气层的情况下,就不需要防热罩了,你只需使用推进器来减缓你的轨道并降落在地面上就行了。只要你带了足够的推进剂,你就可以着陆。

更重的有效载荷是否可采取相同的方式?你一定认为只要更大的降落伞和更大的天空起重机,便能将更重的载荷送上火星。理论上,SpaceX星际飞船能够将100吨殖民者和设备送上火星。不过,火星大气层中的减速方式很难按比例放大。“好奇”号重1吨,已经是降落伞所能承受的极限。工程师尚无法找到更坚固的降落伞材料,为更重的负荷减速。

回到火星上,一艘宇宙飞船以每小时20000公里的速度冲入其稀薄的大气层。

ASPIRE的有效载荷与助推器分离

好奇号是极限

几个月前,美国宇航局的工程师成功测试了一款名为“ASPIRE”(先进超音速降落伞充气研究实验的英文首字母缩写)的降落伞。ASPIRE采用尼龙、Technora和Kevlar等合成织物,将用于“火星2020”任务。测试中,他们利用探空火箭将ASPIRE送入37公里的高度,模拟飞船奔火时遭遇的环境。

传统上,飞行任务是从一个大气层开始下降,以消除航天器的一些速度。发射到火星的最重的任务设备是“好奇号”,它的重量为1吨。

ASPIRE在不到一秒钟内完全充气,承受了3.2万公斤的力量。这相当于时速100公里的汽车撞墙时冲击力的3.6倍。如此惊人的力量,即使戴着安全带,你也休想活不下。如果飞船的重量进一步提高,就需要找到更强悍的合成织物。这样的织物目前还是一种不可能。此外,乘客的安全也无法保障。

当它进入火星大气层时,它的速度是每秒5.9公里,即每小时22000公里。

低密度超音速减速器艺术概念图

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宇航局正在研究其它方式,希望能够将最重3吨的有效负荷送上火星。其中一个便是低密度超音速减速器。当进入火星引力的势力范围,这种空气动力学减速器会充气以包裹飞船,就像充气城堡一样。

好奇号进入火星大气层

2015年,宇航局测试了这项技术。他们利用气球将一个飞行器原型送入36公里的高度,随后点燃固体燃料火箭,蹿升到55公里的高度。在借助火箭爬升过程中,超音速充气空气动力学减速器充气,直径达到6米。随后,飞船的速度减至2.4马赫。不幸的是,它的降落伞未能正常打开,最后坠落太平洋。不过,这仍是一大进步。如果科学家能够解决工程学和物理学方面的挑战,未来有望让3吨的飞船平稳降落火星。

在大约131公里的高度,宇宙飞船将开始发射推进器,以在接近火星表面时完美地调整轨道。

艺术概念图,SpaceX星际飞船登陆火星

经过80秒的大气层飞行,隔热罩上的温度上升到2100摄氏度。为了不熔化,防热罩使用了一种特殊的材料,称为酚碳热烧蚀板。顺便说一句,SpaceX的龙飞船胶囊也用同样的材料。

更大推力 更少货物

一旦它的速度降低到低于2700公里/小时,航天器打开了有史以来最大的降落伞,为火星任务建造的16米宽的降落伞。这个降落伞可以产生29000公斤的阻力,使它的速度更慢。

除了采用更强大的减速器,另一个选择便是提高推进力。理论上,只要携带足够燃料,便可借助火箭的反推力完成进入火星大气层后的减速工作。但问题是,更多燃料同时也意味着更少的货物。

悬架线是由泰克诺拉纤维和凯夫拉纤维制成的,这两种材料几乎是我们所知的最强和最耐热的材料。

按照计划,SpaceX星际飞船将采用推进着陆的方式,将100吨负荷送上火星。星际飞船会选择一条更快更直接的路线,进入火星大气层时的速度超过每秒8.5公里。当然,Starship没必要这么快。它完全可以利用空气动力制动,通过多次穿过上层大气层,以减慢速度。实际上,火星轨道器就是采用这种方式。

然后,它抛弃了降落伞,并使用火箭发动机进一步减缓了它的下降速度。当它足够接近时,好奇号部署的一台天空起重机,将探测器轻轻地降到地面上。

从减速到环绕火星轨道,再到穿过大气层并最终着陆,整个过程历时数周。根据埃隆·马斯克透露的消息,星际飞船将采用不锈钢,以应对降落过程中产生的高温。外壳上的微孔会渗出甲烷,降低飞船迎风面的温度。

这是快速版本。如果你想全面了解好奇号登陆火星的经历,可以去查阅一下其他资料。

艺术概念图,SpaceX的星际飞船和超重型火箭助推器

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最后一刻制动

好奇号的天空起重机图片,它轻轻地将探测器放在火星上

用于减速的燃料每多一公斤,飞船所能携带的货物就要少一公斤。伊利诺伊大学香槟分校进行的一项新研究指出,在接近火星地表过程中,火星大气层的密度逐渐提高,火星任务应利用这个有利条件。研究人员指出飞船没必要急于减速。进入火星大气层后,飞船仍可以产生大量气动升力,可用于飞船的转向。

澳门百老汇官网网址,想用更重的有效载荷做同样的事情吗?我相信你想象的是更大的降落伞,更大的天空起重机。

通过计算,他们找到了最理想的切入角度。他们指出飞船应在可能的最后时刻,利用气动升力刹车,而后侧向飞行,穿过大气层最浓密的部分。这会提高阻力,在启动制动引擎并完成着陆前,摆脱掉大部分速度。

理论上,SpaceX星际飞船将把总重100吨的殖民者及物资送到火星表面。问题是,在火星大气中减速的方法不能很好地扩大。

如果人类希望在未来建造火星殖民地,就必须解决运送大型负荷的难题。科学家需要研发一系列技术,让火星登陆方式更可靠更安全。

首先,让我们从降落伞开始。老实说,在1吨的时候,好奇号的重量相当于你使用降落伞所能达到的重量。在更重的情况下,没有任何材料工程师能用它来处理减速负荷。

几个月前,美国宇航局的工程师庆祝了超音速降落伞充气研究实验的成功测试。这是将用于火星2020探测器任务的降落伞。

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ASPIRE有效载荷与其助推器分离

他们把由尼龙、泰克诺拉纤维和凯夫拉纤维等先进复合材料制成的降落伞放在探空火箭上,并将其发射到37公里的高度,模拟飞船到达火星时的情况。

降落伞在不到一秒钟的时间内展开,并完全充气,产生了32000公斤的力量。如果你当时在飞机上,你将会感受到3.6倍的力量,就像是带着安全带以每小时100公里的速度撞到墙壁上。换句话说,你活不了。如果航天器更重,它将需要由复合材料制成。

美国宇航局一直在尝试不同的想法,将更重的有效载荷降落在火星上,比如,重达3吨的物体。

一种想法被称为低密度超音速减速器。这个想法是使用一个更大的空气动力学减速器,当航天器进入火星引力时,它会像一座有弹性的城堡一样在太空船周围膨胀。

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低密度超音速减速器插图

2015年,美国宇航局实际测试了这项技术,在36公里的高度上用气球携带了一个原型飞行器。随后,该飞行器发射了固体火箭,载着它飞到了55公里的高度。

当它快速上升时,它将超音速充气式空气动力减速器充气至直径6米,然后将其减速到3000公里/小时。不幸的是,它的降落伞没有正确地展开,因此坠入了太平洋。

这就是进步。如果他们真的能搞清楚工程学和物理学,我们总有一天能看到3吨重的宇宙飞船在火星表面着陆。

更大的推进力,更少的货物

下一个扩大火星登陆的想法是使用更多的推进器。从理论上讲,你可以携带更多的燃料,在到达火星时发射火箭,并减慢速度。当然,问题是你携带的减速质量越大,你实际上可以降落在火星表面的质量就越少。

SpaceX星际飞船预计将使用推进式着陆,将100吨重的物品送到火星表面。因为它采取了一种更直接,更快的路径,星际飞船撞击火星大气层的速度超过8.5公里/秒,然后利用空气动力减缓进入速度。

当然,没必要这么快。星际飞船可以使用空气制动,多次穿过高层大气以消除速度。实际上,这就是轨道航天器前往火星时所采用的方法。

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但是,飞船上的乘客需要花几个星期的时间才能减速,进入环绕火星的轨道,然后在大气层中降落。

根据埃隆·马斯克(Elon
Musk)的说法,他处理所有热量的非直觉策略是用不锈钢制造航天器,然后壳体上的小孔将排放甲烷燃料,以保持航天器迎风一侧的凉爽。一旦它释放出足够的速度,它就会转向,启动猛禽引擎,然后轻轻地降落在火星表面。

瞄准地面,在最后一刻停下来

宇宙飞船用来减缓其下降到火星表面的每公斤燃料都是一公斤它不能带到火星表面的货物。

我不确定有没有任何可行的战略,可以轻松地在火星表面降落更重的有效载荷。比一些人认为,如果不使用大量的推进剂,这几乎是不可能的。

伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校航空系的一项新研究提出,火星飞行任务可以利用接近火星表面的较厚的大气层。

在他们题为“火星上高弹道系数飞行器的进入轨道选择”的论文中,研究人员提出,飞往火星的航天器不必急于摆脱它们的速度。

当航天器穿过大气层时,它仍然能够产生大量的空气动力升力,这些升力可以用来引导它通过大气层。

他们进行了计算,发现理想的角度是直接指向宇宙飞船并俯冲到地面。然后,在最后一个可能的时刻,利用空气动力升力向上拉起,在大气最厚的部分横向飞行。

这会增加阻力,让你在打开下降引擎并完成动力着陆之前,摆脱大部分速度。

如果人类要在火星表面建立一个可行的未来,我们就需要解决这个问题。我们需要开发一系列技术,使火星着陆更加可靠和安全。

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