登陸火星:挑戰(zhàn)及對策

■ 楊孝文

圖1 藝術(shù)概念圖，展示了美國航空航天局的“海盜”號登陸器

圖2 “好奇”號借助降落傘減緩降落速度

圖3 太空起重機(jī)幫助“好奇”號著陸

美國航空航天局的“好奇”號火星車已在卡納維拉爾角發(fā)射升空，預(yù)計(jì)2012年8月抵達(dá)紅色星球——火星。這輛火星車重1噸，將成為在另一顆星球上登陸的體積最大同時(shí)也最為復(fù)雜的無人探測器。

只依靠當(dāng)前的技術(shù)，任何體積或者重量超過“好奇”號的探測器都無法被送上火星表面。實(shí)施大型火星任務(wù)的主要障礙是火星稀薄的大氣層，它只有地球大氣層的1%。火星地表的大氣壓，僅相當(dāng)于人在地球上空約30480米飛行時(shí)承受的大氣壓。

然而，面對這種挑戰(zhàn)，科學(xué)家和工程師并非無能為力。近幾年來，工程師已經(jīng)提出了針對下一代火星登陸器的一系列想法。以下盤點(diǎn)的這些構(gòu)想都可以將大型有效負(fù)荷——包括宇航員在內(nèi)——安全送上火星表面。

著陸問題

在火星上著陸通常利用降落傘減緩降落速度。然而，由于火星大氣較為稀薄，因此即使打開降落傘，降落速度仍舊很快。在地球上，跳傘運(yùn)動員打開降落傘后降落時(shí)速可從約193千米降至不到16千米；而在火星上，跳傘運(yùn)動員的降落速度可達(dá)到每小時(shí)1600千米，即使打開降落傘，時(shí)速仍可達(dá)到320千米。而“好奇”號降落時(shí)將打開一個約15米的超音速降落傘，這是在行星際任務(wù)中使用的體積最大的降落傘。此外，一個圓盤狀的平臺將點(diǎn)燃火箭，在距離地面七八米的高度盤旋，幫助“好奇”號減緩速度。

不幸的是，這項(xiàng)技術(shù)無法“放大”：一個40噸的載人登陸器在穿過火星大氣層時(shí)使用的減速傘尺寸將相當(dāng)于玫瑰碗體育場，因此需要很長的膨脹時(shí)間，在它完全打開前登陸器已經(jīng)觸地。美國航空航天局進(jìn)入、降落和著陸技術(shù)部門負(fù)責(zé)人、工程師邁克爾·萊特表示：“當(dāng)前的任何技術(shù)都無法讓40噸的重物在火星表面安全著陸。我們必須研發(fā)新技術(shù)，戰(zhàn)勝這一挑戰(zhàn)。”

美國航空航天局開始研發(fā)充氣式空氣動力學(xué)減速器技術(shù)。與容易損壞的降落傘不同，這種減速器非常堅(jiān)固，能夠在足以撕裂降落傘的高速度下使用。

極超音速充氣式空氣動力學(xué)減速器可以折疊放入火箭，只要在進(jìn)入火星大氣層前充氣，短短幾秒內(nèi)便可膨脹到約24米。這種減速器將采用凱夫拉爾纖維等輕型材料打造，非常堅(jiān)固，能夠經(jīng)受住穿過大氣層時(shí)的高溫考驗(yàn)。

噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的工程師伊恩·克拉克表示，美國航空航天局計(jì)劃在2012年年初測試這種技術(shù)。屆時(shí)，工程師將把一顆熱氣球送入地球上層大氣，然后釋放一個直徑4.57米的甜甜圈形物體。這個物體隨后膨脹到約6米，模擬在火星環(huán)境下減速。克拉克認(rèn)為，研制6米的極超音速充氣式空氣動力學(xué)減速器非常具有可行性，當(dāng)前面臨的一大挑戰(zhàn)是充氣后如何保持減速器的穩(wěn)定性。在穿過火星大氣層的過程中，即使微小的搖擺也會產(chǎn)生影響。工程師萊特表示：“越小越好。尺寸越大，擺動越強(qiáng)烈，讓問題趨于復(fù)雜。”

進(jìn)入火星大氣層

在向火星表面降落過程中，大型登陸器可以借助超音速充氣式空氣動力學(xué)減速器（SIAD）減緩下落速度。曼寧說：“SIAD與降落傘差不多，但可以在更高的高度打開，同時(shí)速度更快，性能更高。此外，這種減速器也可以按比例放大。我們可以研制約30米，甚至更大的充氣式減速器完成減速工作。”

由于質(zhì)地堅(jiān)固，這種減速器可以在登陸器以4倍或者5倍音速穿過火星大氣層時(shí)充氣，這一速度是降落傘無法承受的。SIAD可以利用巨大的表面積提高登陸器的阻力，進(jìn)而減緩速度。與降落傘不同，SIAD并不是尾隨在登陸器后面，而是像一個巨傘一樣打開，罩在登陸器前面。

據(jù)工程師估計(jì)，載人火星任務(wù)需要的SIAD寬度為22米～48米。在登陸器穿過火星大氣層的過程中，科學(xué)家必須考慮SIAD承受的高溫，先進(jìn)材料或者某種類型的隔熱板可以幫助解決這個問題。但更大的障礙是，如何研制一個大尺寸并且可以快速打開的SIAD。美國航空航天局蘭利研究中心的工程師尼爾·徹特伍德表示：“從某種程度上說，尺寸太大便無法立即膨脹。”對研制尺寸超過15米的SIAD，徹特伍德的態(tài)度并不樂觀。他說：“如果派遣體積2倍或者3倍于‘好奇’號的登陸器，使用的SIAD將不具有可行性。”

超音速反推進(jìn)火箭

最后一項(xiàng)可用于將更大有效負(fù)荷安全送上火星表面的技術(shù)是超音速反推進(jìn)火箭，它利用火箭產(chǎn)生的反推進(jìn)力減速。絕大多數(shù)火星登陸都使用反推進(jìn)火箭，但都是在速度低于音速的情況下。讓體積超過“好奇”號的登陸器安全降落火星表面，需要工程師研制出能夠在登陸器超音速下落時(shí)點(diǎn)火的火箭。在存在大氣的情況下，這顯然是一種危險(xiǎn)的做法。萊特說：“在這種速度下打開推進(jìn)器會產(chǎn)生各種復(fù)雜的沖擊波，進(jìn)而影響到登陸器。”

目前，美國航空航天局并沒有超音速反推進(jìn)方面的經(jīng)驗(yàn)，也沒有太多數(shù)據(jù)可供參考，因此很難預(yù)測沖擊波將對登陸器產(chǎn)生何種影響。過去的2年時(shí)間里，美國航空航天局在風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行了一系列測試，觀察超音速情況下點(diǎn)燃火箭產(chǎn)生的流場。但這一實(shí)驗(yàn)?zāi)壳耙驯唤型！?/p>

這種叫停對未來的載人火星任務(wù)產(chǎn)生了不利影響。美國航空航天局的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，載人火星任務(wù)必須使用超音速反推進(jìn)技術(shù)；沒有這項(xiàng)技術(shù)，讓人類登陸這顆紅色星球?qū)⒊蔀橐环N不可能。當(dāng)然，也有人認(rèn)為可以采用另一種方式完成這項(xiàng)工作。徹特伍德就表示，可以借助充氣式空氣動力學(xué)減速器，之后利用降落傘讓登陸器的速度降至亞音速，同時(shí)仍可以使用傳統(tǒng)制動火箭。

圖4 充氣式空氣動力學(xué)減速器

圖5 超音速充氣式空氣動力學(xué)減速器

圖6 超音速反推進(jìn)火箭原型機(jī)在風(fēng)洞內(nèi)接受測試

圖7 藝術(shù)概念圖，展示了登上火星的宇航員

圖8 宇航員在火星上漫步

人如何登陸火星？

曼寧說：“人類登陸火星需要攜帶大量物資，例如水、食物、氧氣以及電力補(bǔ)給設(shè)施。”根據(jù)美國航空航天局的估計(jì)，將40噸～80噸的物資運(yùn)到火星表面，也只能供宇航員維持1天；而當(dāng)前一次的運(yùn)送能力只有1噸，而且并不穩(wěn)定。工程師布勞恩說：“我們不可能向火星派遣80艘飛船。”他指出，美國航空航天局需要研發(fā)低成本技術(shù)，將大型負(fù)荷送上火星。

人類何時(shí)登陸火星仍是一個未知數(shù)。根據(jù)美國航空航天局的一些計(jì)劃，美國航空航天局決定在2032年進(jìn)行載人登陸，火星樣本采集等未來10年的其他大規(guī)模任務(wù)可能需要使用體積超過“好奇”號的登陸器。研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)這些登陸的技術(shù)需要相當(dāng)長的時(shí)間，如果想完成所設(shè)定的目標(biāo)，美國航空航天局必須從現(xiàn)在起就開始研發(fā)。找到最理想的技術(shù)是美國航空航天局當(dāng)前最緊迫的工作，美國航空航天局的工程師萊特說：“對于所有可能的技術(shù)，我們需要證明其是否具有可行性。如果得到驗(yàn)證，我們便進(jìn)一步研究；如果答案是否定的，我們就要制訂新計(jì)劃。”