http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2011-11-26
揭秘好奇号火星探测器：巨型超音速降落伞减速
新浪科技讯 北京时间11月25日消息，美国宇航局的火星科学实验室(MSL，已经命名为“好奇”号)即将于本周末(25日)发射升空，并于明年8月份登陆火星表面。这一探测器重达1吨，是有史以来人类送往另一颗行星的最庞大，最复杂的设备。
但是这里有个小秘密：以现在的科技，人类事实上也没有能力将任何比好奇号更重的物体送往火星表面。而诸如载人登陆火星之类的任务，根据美国宇航局估计至少需要载运40~80吨的配套保障设备前往火星，因此就目前的技术条件来看完全是遥不可及的。
工程师鲍比·布劳恩(Bobby Braun)是美国宇航局前首席技术官，同时也是一篇发表于2005年，阐述这一问题的论文的作者。他说：“我们这一次已经用尽了我们最大的能力。”对于大型项目来说最首要的障碍是火星的稀薄大气，它比地球大气要稀薄100倍。在火星地表处的气压仅相当于地球上空10万英尺(约合3万米)高空感受到的气压。
工程师罗伯特·曼宁(Robert Manning)说：“那可是很高的高空，都快到外太空了。在火星上着陆就好像是把着陆地点放到了一个高到荒谬的山上，然后说‘在那里着陆’。” 曼宁是1996年火星探路者漫游车项目的首席飞行系统工程师，也是布劳恩那篇论文的合著者。
但这个问题也不是毫无希望。在布劳恩和曼宁的论文发表后的几年里，工程师们已经想出了下一代火星着陆器的设想。以下几个是可能在未来能将包括人在内的大型载荷带到火星表面的方案：
1 传统技术
传统技术
在过去的40年中，美国宇航局所执行的每个火星项目使用的技术基本和1976年发射的海盗号着陆器的技术是类似的。海盗号着陆器一共发射了两个，重量大约相当于好奇号的一半多一点。它在火星高层大气中减速时被装在一个坚固的热防护壳里并进行摩擦减速。在距地面4英里(约合6400米)处时，着陆系统将释放一个降落伞来进一步减速。距离地面大约5000英尺(约合1500米)时，三台反冲发动机将启动，使速度降到几乎为零并平稳着陆。
自那以后，尽管总体原理相同，但工程师们不断致力于改进相关技术方案，在1996年的火星探路者项目中首次使用气囊弹跳着陆方式，而此次好奇号由于体积质量过大无法再次使用气囊着陆系统，因此工程师们转而专门设计了全新的悬降着陆系统。布劳恩说：“我们正在逐渐摆脱海盗号留下的遗产，真正的挑战在于：如果我们今后想做比好奇号更复杂的项目，我们就将需要全新的技术。”
2 降落伞的技术瓶颈
降落伞的技术瓶颈
在火星上降落需要使用降落伞。但是即便是降落伞展开之后着陆器的速度仍然很高。
从太空返回地面的宇航员们可以借助地球浓密的大气层进行减速。就像阿波罗计划的返回舱返回地球，或是航天飞机采用的滑翔式降落方式本质上都利用了地球的大气阻力减速。
宇航局兰利研究中心工程师尼尔·切特伍德(Neil Cheatwood)说：“火星的大气状况就完全不同了。如果说有一颗行星，它的大气比火星还少，那么这颗行星基本就可以说没有什么大气层了。”
一般情况下，在火星上降落需要使用降落伞。但是即便是降落伞展开之后着陆器的速度仍然很高。如果一个人跳出机舱，在地球上，其下落速度可以达到每小时约193公里，当他打开降落伞的一瞬间，其速度就会被减至大约每小时16公里；相比之下，由于极为稀薄的空气，在火星上跳出机舱的人下落速度可以达到每小时1600公里，当他打开降落伞之后，其速度也只能下降到大约每小时320公里。
曼宁说：“你这胳膊和腿可承受不起这样的下落速度。”在过去，宇航局的工程师们设计了反推火箭或者缓冲气囊来应付由于这种高速撞击地面产生的影响。
当进行降落时，好奇号将展开一个直径达15米的巨型超音速降落伞用以减速，这是迄今在行星探测领域使用过的最大降落伞系统。但是即便如此仍然需要依靠一套额外的复杂悬将系统来确保着陆器的安全。此次工程师们设计了一种类似UFO的飞行平台，它能使用火箭发动机提供反推作用力实现凌空，它会悬浮在距离地面大约7米的高度上并逐渐平稳地将好奇号放置在火星的地面上。
不幸的是这样的技术方案是不适用于未来的载人火星考察任务的：如果要想确保安全的减速要求，那么载人降落所使用的降落伞大小将和一座大型体育场相当，那样的话它打开的时间太久了，事实上在降落伞完全展开之前整个着陆器就已经一头撞在火星表面上了。
宇航局工程师麦克尔·怀特(Michael Wright)说：“好奇号是一个死胡同，这里所采用的技术对于40吨级别的载人火星任务毫无帮助。我们届时将不得不后退一步，重新设计出全新的方法。”怀特是宇航局大气层再入，下降和着陆技术方面的首席工程师。
3 充气气动减速器(IAD)技术
充气气动减速器(IAD)技术
人类的探测器经过长途跋涉，抵达火星时的速度高达每小时2.4万公里。因此工程师们必须在探测器的底部设法安排一样扁平的东西，面积越大越好，这样能极大地帮助在探测器接触火星高层大气时降低其速度。
好奇号采用的隔热罩的外形正是基于这一考虑设计的，它可以帮助探测器减速。它直径大约为4.57米，但是宽度尽可能越大越好，只要能放进火箭的整流罩就成。因此宇航局使用了充气气动减速器(IAD)技术，这种装置和脆弱的降落伞不同，它是坚硬的材质，因此能在高速状态下安全展开协助减速，而不会像降落伞那样被高速撕成碎片。
比如HIAD技术设备(即：高超音速充气气动减速器)能以折叠姿态放置于火箭整流罩内发射升空，当跟随探测器进入火星大气层时膨胀开来，其直径在数秒内从大约4.5米变为大约24.3米。这种装置的制造可能采用了某种特殊的高强度耐高温材料，使它可以耐受住冲击火星大气层时的极端高温环境。
宇航局喷气推进实验室(JPL)工程师伊恩·克拉克(Ian Clark)表示，宇航局有意在明年1月份对这种新技术进行测试。届时工程师们打算从一个上升至高层大气中的热气球上投下一个直径约为4.5米的花生形状设备，它会膨胀为大约6米直径，从而模拟火星大气层进入时的场景。
克拉克相信制造一个可膨胀至6米的IAD技术设备将是很顺利的。但是也有担忧，他们认为要让这种设备一直保持坚固或许将非常困难。即使是最轻微的晃动都可能影响它们在大气层冲击时的表现。怀特说：“这个设备越小越好，它体积越大就越不容易稳定，技术也越复杂。”
4 冲击大气层
冲击大气层
当探测器冲击火星大气层时，它将借助一个超音速充气气动减速器(SIAD)进行减速。
宇航局工程师曼宁说：“SIAD就像是一个降落伞，但是它可以在更高速度下更快的打开，并可以有更好的表现。它也可以做的尺寸更大一些。我们可以设想一个直径100英尺(约合30.5米)或更大型的这类装置用于未来的计划中。”
正是由于它的高强度性能，它能在探测器以相当于火星大气中4~5倍音速下降时展开，而这是降落伞无法承受的。SIAD设备可以帮助降低着陆器的速度。和降落伞的另一个不同点在于，SIAD装置不是拖在探测器的后部，而是在其前方展开，就像是打了一把大伞。
工程师们估计载人火星登陆任务将需要一个直径在23~约50米直径的SIAD设备。但是一个需要考虑的重要问题便是在此过程中它积聚的巨大热量。不过好在目前最先进的隔热技术或许可以解决这一难题。
更大的难题在于：如何制造一种如此巨大的SIAD系统，同时能确保它还能在极短的时间内展开？正如宇航局工程师尼尔·切特伍德所说：“从某种角度来说，这样巨大的体型让它的快速展开困难重重。”
他说如果让他制造一个直径达到15米或15米以上的SIAD系统，他会觉得心里不舒服，甚至他很怀疑直径9米以上直径的SIAD系统是否能有效发挥其减速作用。他说：“如果你的设备质量很大，比方说达到了好奇号探测器重量的2~3倍，那样的话你要再想借助SIAD系统实现减速就有点不太现实。”
5 超音速反冲火箭
超音速反冲火箭
将大质量探测器送上火星表面的最后一个技术挑战在于超音速反冲火箭。简单来说这就是一个火箭反推系统，它能在探测器着陆前对着前进方向点火反推，从而进一步降低探测器的下降速度，确保探测器的安全。过去的大多数火星着陆计划中都使用了火箭反推技术，但是从未尝试过在超音速条件下使用这一技术。
如果想将一台重量超过好奇号的设备送上火星表面，工程师们就将不得不面对反推火箭必须在探测器仍然处在超音速情况下点火的难题，这将是一项巨大的技术挑战。宇航局工程时迈克尔·怀特说：“在那样的速度条件下进行反推发动机点火风险很大，因为这会产生很多复杂的冲击波，它们会向后倒流进发动机。”
目前美国宇航局在超音速反推发动机点火方面没有任何经验可供借鉴，也只有非常少的相关数据。在这样的情况下想要预测这种冲击波回流将会对探测器产生何种影响非常困难。在过去的两年中，宇航局的工程师们一直在地球上的风洞设施中对这一情形进行反复的测试工作。但是现在，很多相关的研究测试工作，甚至连同整个布什政府提出的载人登陆月球和火星的宏伟计划都被整个儿砍掉了。
这样做的后果将是十分严重的，因为根据美国宇航局的技术评估，在未来的载人登陆火星任务中，这种超音速反推技术将是必须掌握的。没有这种技术，载人登陆火星将是不可能实现的。
不过这样悲观的观点或许也有商榷的余地，正如宇航局工程师尼尔所指出的那样，或许我们还是有办法借助SIAD减速设备和降落伞的组合方式将着陆器的速度降低至亚音速，然后我们就可以采用传统的亚音速反推火箭点火方式实现最终安全的着陆。
6 如何载人登陆火星？
如何载人登陆火星？
根据美国宇航局的估计，即便是确保宇航员在火星表面生存一天，需要送到火星的相关技术装备就重达40~80吨。
对于这个问题，美国宇航局工程师罗伯特·曼宁简单介绍说：“首先，你需要带上必要的给养：水，食物，空气和电池。”
根据美国宇航局的估计，即便是确保宇航员在火星表面生存一天，需要送到火星的相关技术装备就重达40~80吨。而目前美国宇航局的能力仅能将一吨重的设备送到火星表面，但即使是仅重1吨的运载量也已经是非常勉强了。
工程师鲍比·布劳恩说：“我们现在没办法将80吨的设备送到火星。”他认为宇航局现在就该开始着手进行低限度的投资，致力于开发能在未来使美国宇航局获得这种能力的相关技术。
尽管目前对于究竟何时执行载人登陆火星的任务还没有正式的时间表，不过一些美国宇航局的计划表显示该局初步打算在2032年前后实现载人登陆火星。但在此之前，美国还将首先执行其他一些大规模火星探测项目，如火星表面的土壤岩石样本的采样取回项目。
开发这样一系列先进技术需要大量的时间，因此美国宇航局必须现在就开始行动，以确保任务目标的实现。目前最重要的任务就是必须尽快确认究竟哪些技术对于未来登陆火星是最为关键的。
宇航局工程师迈克尔·怀特说：“对于被提出的每一项技术，我们都应当进行仔细评估，做出可行或不可行的评估建议。如果我们认为某项技术是可行的，那我们就暂且放在一边，而如果某项技术被认为是不可行的，那么我们就必须着手设计全新的替代方案。”(晨风)
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NASA为新火星车配核电池供能暖身(图)
核动力火星车
新浪科技讯 北京时间11月24日消息，火星是一个异常寒冷的地方，地表平均温度只有零下82华氏度(零下63.33摄氏度)。然而幸运的是，计划26日发射升空的美国宇航局的火星科学实验室(MSL)携带的钚，能够确保它不会被冻僵。
这辆新火星车有一辆小轿车那么大，它将成为有史以来登陆另一颗行星的最大和最先进的机器。与美国宇航局以前选择太阳能电池板的任务不同，火星科学实验室在火星表面旅行时，将利用核能让自己更多产。钚(不用担心，它并不是核武器级别的钚238)通过核衰变产生热量，给该实验室的电子仪器加温，确保它甚至在夜间也能输出数据。与以前的任务不同，这辆火星车将能在没有阳光的区域穿梭，因此它可以探险的区域也更加宽广。
该车不是由核反应堆提供动力，而是利用钚238产生大量热，在暗处发出暗红色的光。这些额外的热量将会得到很好的利用，它通过热电铅碲(这种材料存在温度梯度时，就会产生电流)会产生大约110瓦电流。如果有必要的话，这种动力能让火星科学实验室运行好几年，不过它当前的任务仅打算持续23个月。为了消除任何顾虑，负责组装核电池的爱达荷国家实验室已经对它的核燃料进行多层保护，并已进行大量检测，以确保安全。他们指出，美国宇航局也已通过过去50年间的26项任务证实核发电机的可靠性。(孝文)
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