宇航员登陆火星的难点!火星的“诅咒”能否被打破?

宇航员登陆火星的难点!火星的“诅咒”能否被打破?

登陆火星是一项非常困难的挑战,自20世纪60年代以来发射到火星的航天器中,只有53%能够完好无损地到达火星表面。迄今为止,成功登陆火星最重的飞行器是“好奇号”漫游者,重达1公吨。在未来,美国宇航局和其他航天机构计划将发送有效载荷,其质量从5吨到20吨不等,它们能否克服火星的“诅咒”完整地降落到火星将决定着未来人类登陆火星的关键。


在未来的几十年里,科学家们的火星计划将执行一系列任务,其中包括首次派遣宇航员前往火星。这带来了许多后勤和技术上的挑战,从纯粹的距离到加强辐射防护的需要。与此同时,登陆这颗红色星球也存在困难,即所谓的“火星诅咒”----在火星上着陆更重的有效载荷,瞄准地面,然后在最后一刻稳稳地停下来!


但是科学家认为更复杂的是,未来任务的规模和质量(特别是载人飞船)将超出目前的进入、下降和着陆(EDL)技术的能力。为了解决这个问题,一个航空航天科学家团队发布了一项研究,该研究表明,在低空制动推力和飞行路径角度之间的权衡,可以让重型任务安全地在火星着陆。

简单地说,在大多数情况下,在探测器即将进入火星时,相当于一辆以30马赫的高超音速进入火星大气层的飞行器,然后由于空气摩擦而迅速减速。一旦速度达到3马赫,他们就会打开降落伞,发射反火箭进一步减速。据研究团员表示,更重要的任务问题是,降落伞系统在增加车辆质量的情况下不能很好地伸缩。


不幸的是,反向火箭发动机燃烧大量推进剂,这增加了整个火箭的质量——这意味着需要更重的运载火箭,任务的成本最终会更高。此外,航天器需要的推进剂越多,用于有效载荷、货物和人员的体积就越小。

于是,科学家诞生了一个新的想法:取消降落伞,使用更大的火箭发动机来下降,我们可以想象当一辆车以超音速飞行时,在火箭发动机点火之前,会产生一些升力,我们可以用升力来控制方向。如果我们移动重心,使它重力分配不均,它将以不同的角度飞行。


这是一幅用反推进器操纵宇宙飞船的插图。

首先,科学家研究了飞行器撞击火星大气层时周围的压差。基本上,探测器周围的气流在顶部和底部是不同的,这就产生了一个方向的升力。当飞行器在大气层中减速时,可以利用这种原理得到实现。

因此,飞船可以在此时使用反向火箭来精确着陆,当然,问题是在什么高度发射火箭。比如我们知道我们要以3马赫的速度点燃下降引擎,我们应该如何在高超音速的情况下控制飞行器的空气动力学,这样我们就可以使用最少的推进剂,并使我们可以着陆的有效载荷的质量最大化?因此为了最大限度地增加我们能在地面着陆的质量,点燃下降引擎的高度很重要,但速度矢量与地平线的夹角也很重要,即你进入地面的倾斜度。最后科学家发现,最好是在升力矢量指向下方的情况下进入火星大气层,这样飞行器就可以俯冲,然后(根据时间和速度)改变升力,在低空飞行。

这项研究的结论可以为未来的火星任务提供信息,特别是在运载货物和船员的重型航天器方面。尤其是宇航员能够在火星安全着陆而不被火星恐怖的引力所摧毁,这是至关重要的。