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美國宇航局當前所使用的減速器系統,還是在1970年代維京計劃所研發的系統,目前該系統已經無法滿足人類的科技需求,它既不能夠使有效載荷安全著陸於火星表面,也不能夠進入一些海拔高的地區。LDSD專案,則是美國宇航局為了研發出更好的減速器系統,從而使人類能夠更好地探索火星以及全太空。

美國宇航局現在所使用的減速器是維京時代研發的,而目前該減速器已經無法滿足未來的火星任務,基於這個情況,美國宇航局開始了低密度超音速減速器專案(LDSD),這個專案致力於研發出新的減速器系統,該減速器能夠使大型有效載荷安全著陸於火星表面。

圖注:低密度超音速減速器正在測試中

圖注:低密度超音速減速器濺落海面之後正在打撈

由於在未來的火星任務中,會採取比“好奇號”火星探測器還要重的機器人探測器,所以美國宇航局正在研發一種新型的減速器系統,該減速器系統在更加輕便的前提下,能夠使更大型的有效載荷成功安全地著陸火星表面。在借鑑了夏威夷河豚的特性之後,研究人員在新減速器系統中也採用了相同的特徵,那就是通過快速充氣的方式,在保持保持品質不變的同時達到增加尺寸的效果。低密度超音速減速器(LDSD)就是新型減速器系統的名稱,在火星漫遊車著陸火星表面之前,該系統可以使整個火星車開始減速,從而使有效載荷安全著陸於表面。

圖注:火星大氣雖然稀薄,但足以讓航天器燒燬,如果不進行減速的話

與眾不同的火星

火星自身的情況與地球、月球十分不同,它所擁有的大氣層厚度處於地球和月球之間,所以它既不能夠讓火箭自行將探測器放在月球表面,也不能夠通過摩擦的方式使降落傘從太空著陸於地球。它處於進退兩難的環境中。在火星上想要使大型有效載荷安全著陸表面的前提是,火星表面飛行器必須要有超大的降落傘、堅固的火箭彈以及安全氣囊,只有這樣,才能使有效載荷在稀薄的大氣層中成功著陸於火星表面。自從LDSD專案開始研發以來,研究人員所研發的裝置並不能夠在真實的火星環境中得到測試。但幸好,在地球的平流層中,有一處空間的環境與火星環境相似,於是美國宇航局宣佈這個空間,將會成為LDSD專案的測試地點。

圖注:低密度超音速減速器在火星上的模擬效果圖

落伍的維京時代減速器

美國宇航局當前所使用的減速器系統,還是在1970年代維京計劃所研發的系統,目前該系統已經無法滿足人類的科技需求,它既不能夠使有效載荷安全著陸於火星表面,也不能夠進入一些海拔高的地區。LDSD專案,則是美國宇航局為了研發出更好的減速器系統,從而使人類能夠更好地探索火星以及全太空。

圖注:LDSD專案的充氣拖曳裝置以及超音速環帆降落傘。

在獲得美國宇航局資金幫助與技術支援的情況下,研究人員正式開始了LDSD專案的研究。作為美國宇航局的技術示範任務,LDSD專案有兩個最終目標:一是研發出能夠使火星探測器安全著陸的減速器系統,降低火星任務的風險性;二是使我們現有的飛行器技術更加成熟,推動太空任務事業的發展。而這兩個最終目標的存在,都是為了造福人類科學和工業技術。

超音速減速系統

能在低密度大氣中應用的超音速減速系統是NASA研發的目標,LDSD專案必須要在地球的平流層中得到全面的測試,只有在確認這些技術沒有出現任何差錯之後,才能將它們應用在未來的火星任務中。在這次的LDSD專案中,將會對三種全新的裝置進行研發,而這三種全新裝置的速度將遠超聲速。

在LDSD專案中,包含兩種不同尺寸的超音速充氣氣動減速器(SIAD),它們看起來就像是兩個氣球。其中SIAD-R是用於未來的機器人任務,它的直徑為六米,能夠用加壓的熱氣進行充氣;而直徑為八米的SIAD-E則適合人類任務的有效載荷,它可以通過沖壓空氣壓力的方式進行充氣。這些裝置與飛行器外部相連,在飛行器的飛行速度達到3.5馬赫及以上時,它們就會開始充氣並使飛行器開始降速到2馬赫以下,只有在處於這個速度時,飛行器才能更好更安全地著陸於表面。

圖注:LDSD專案的環帆降落傘的模型,目前正在接受流量測試,模型為主體的三分之一。主體環帆降落傘在充氣之後能覆蓋整個測試區域。

圖注:LDSD專案正在進行火箭雪橇測試,火箭雪橇使硬體加速後,SIAD-R減速器在這個過程中達到讓硬體減速的效果。

圖注:LDSD專案正在平流層模擬環境中接受測試。

LDSD專案中研發的最後一個裝置是新型的降落傘,該降落傘的直徑為33.5米,該尺寸是好奇號探測器所使用的降落傘的兩倍,而且該降落傘的降落速度從2馬赫降到了2馬赫亞音速,這樣子的設計更能保證飛行器的安全著陸。LDSD專案需要經過多種測試,例如2012-2014年的降落傘設計風洞測試以及火箭雪橇測試。到2014年和2015年,處於夏威夷考艾島的太平洋導彈靶場,將會被打造成和火星基本相似的環境,從而開始對LDSD專案的測試。在這場測試中,測試車將會在大型科學氣球的幫助下升至37公里高的高空,從而完全模擬LDSD減速器在火星任務中,對有效載荷開始減速後安全著陸於火星表面的全過程。這場測試中所用到的氣球和測試車在測試結束之後,將會被研究人員重新回收。

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