為了實現(xiàn)載人火星登陸計劃,NASA正在開發(fā)重載荷運輸技術(shù)超音速充氣式氣動減速器(HIAD)是一項可為航天器制動提供有效載荷和體積效益的解決方案。

2006年,NASA成立了一項名為“先進大氣層充氣式減速器”(Advance Inflatable Decelerators for Atmospheric Entry,PAIDAE)的項目,并研制了由外層、絕熱層、氣密層組成的,直徑為3~12 m的HIAD。

 

氣凝膠航天應(yīng)用案例:充氣式減速器

氣凝膠航天應(yīng)用案例:充氣式減速器

氣凝膠航天應(yīng)用案例:充氣式減速器

美國國家航空航天局(NASA)在2011年在太空技術(shù)項目(STP)中設(shè)置了低密度超聲速減速器(LDSD)技術(shù)驗證任務(wù),以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,提高未來火星任務(wù)中著陸載荷質(zhì)量、著陸地點高度和著陸精度。該技術(shù)也是NASA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。

LDSD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。充氣式氣動結(jié)構(gòu)減速器在發(fā)射和飛行過程中保持在未充氣狀態(tài),而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,從而增大阻力面積,實現(xiàn)減速的目標。為進行超聲速飛行氣動試驗技術(shù)驗證,NASA分別驗證直徑6m的圓環(huán)型SIAD-R減速器和直徑8m的等張力面型SIAD-E減速器。

兩種減速器的構(gòu)型和尺寸雖然存在一定差異,其原理均是通過充氣膨脹增加著陸飛行器的氣動阻力,對超聲速(馬赫數(shù)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2馬赫數(shù),達到降落傘安全展開的條件。

 

NASA曾對低密度條件下超聲速降落傘進行對比分析,研究對象包括環(huán)帆傘、十字形傘、盤縫帶傘等。其中單個、不收口的盤縫帶傘不僅能夠適應(yīng)火星大氣稀薄的環(huán)境以及超聲速開傘的條件,且其結(jié)構(gòu)相對簡單,一直被用作美國火星探測減速著陸系統(tǒng)的氣動減速裝置。2012年好奇號在火星表面著陸時采用的降落傘直徑為21.5m,開傘速度馬赫數(shù)為1.77,已經(jīng)達到了盤縫帶降落傘的尺寸極限。

然而美國的載人飛船著陸系統(tǒng)與火星著陸器不同,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,最終決定采用超聲速環(huán)帆傘,其開傘速度可達2馬赫數(shù),面積幾乎是好奇號所用的盤縫帶傘的2倍。

 

美國國家航空航天局(NASA)在2014年和2015年分別對低密度超聲速減速器(LDSD)進行了2次試驗。低密度超聲速減速器(LDSD)由巨大的氣球送到120000英尺(36576米)的高空以模擬火星大氣環(huán)境,當?shù)竭_預定海拔高度后,氣球破裂,飛行器底部的發(fā)動機啟動以推動其向高空運動。在到達180000英尺(54864米)高空后,超音速充氣氣動減速器開始膨脹,飛行器體積變大。通過增加飛船的總體體積,超音速充氣氣動減速器可幫助其從4184公里/時的速度降低至2414公里/時,之后降落傘打開進一步幫助飛行器減速。

氣凝膠航天應(yīng)用案例:充氣式減速器-1

NASA原本計劃進行3次飛行試驗,但在第一次和第二次試驗中降落傘都在打開過程中失敗了。由于需要將資金重新分配給維修衛(wèi)星的計劃,美國國家航空航天局在2016年初將低密度超聲速減速器(LDSD)的資金削減了85%,直接導致項目在計劃的第三次測試之前暫停。

2017年10月14日,美國國家航空航天局(NASA)再次測試了低密度超聲速減速器(LDSD)的降落傘。這次降落傘安裝在Black Brant IX亞軌道探測火箭上,在升空后降落傘成功打開。

未來,通過LDSD技術(shù)發(fā)展的減速器并采用4~5個傘組成的多傘系統(tǒng),火星表面軟著陸質(zhì)量最高可達15t。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,因此可在海拔高度更高的火星表面著陸,著陸點的海拔高度可增加2000~3000m,從而大幅增加火星表面可探測區(qū)域。

總結(jié)

美國國家航空航天局(NASA)主導的低密度超聲速減速器(LDSD)技術(shù)很可能成為未來登陸火星的關(guān)鍵技術(shù),人類也將進一步拓展空間探索領(lǐng)域。我國在減速技術(shù)方面同樣掌握了先進技術(shù),中國航天科技集團五院508所研究的新型充氣式再入減速技術(shù)(IRDT)測試成功,證明我國具有深空探測器安全著陸的能力。

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