美国用于大质量火星着陆的减速技术取得重要进展

李金钊（中国航天系统科学与工程研究院）

美国用于大质量火星着陆的减速技术取得重要进展

李金钊（中国航天系统科学与工程研究院）

2014年6月28日，美国航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）完成“低密度超声速减速器”（LDSD）的首次“超声速飞行气动试验”（SFDT）。美国航空航天局希望通过这项超声速减速技术，提高未来火星任务的着陆载荷质量、着陆点海拔高度和着陆精度。

1 “低密度超声速减速器”项目背景

超声速减速技术是保障火星软着陆成功的关键技术之一，是进入、下降与着陆（EDL）技术的组成部分。美国自1976年着陆的“海盗”（Viking）火星着陆器到2012年着陆的好奇号（Curiosity）火星车，全部都采用刚性减速器和“盘-缝-带”（DGB）降落伞的减速方案完成超声速减速工作。2012年着陆成功的好奇号的着陆点高度为2km[火星海拔高度是由1997年进入火星轨道的“火星全球勘测者”（MGS）探测器携带的火星轨道激光高度计（MOLA）测定的]，着陆质量达960kg，是美国航空航天局利用目前掌握的减速技术在火星表面实现软着陆的最大质量。

未来火星采样返回探测和载人火星探测等任务，需要火星探测器或载人飞船具备更高的火星表面大质量软着陆能力，这要求减速装置具备更高的减速性能。为此，美国航空航天局于2011年在“太空技术项目”（STP，旨在获得用于未来探索小行星、火星或更远星体任务的所必需的新技术和能力，“低密度超声速减速器”项目则是“太空技术任务”正在开发的几项共性技术之一）中设置了“低密度超声速减速器”技术验证任务，并希望通过对该项技术的验证，提高超声速段减速性能，掌握新的大质量火星软着陆减速技术和能力。该技术也是美国航空航天局在火星进入、下降与着陆技术领域正在开发验证的技术之一。

2 “低密度超声速减速器”项目介绍

基本思路

针对未来火星探测任务中大质量有效载荷着陆问题，美国航空航天局在制订探测器进入、下降与着陆过程中的减速方案时，主要考虑了降低弹道系数和提高升阻比等技术途径。鉴于提高升阻比要解决新型气动外形和超声速控制等技术难题，短时间内难以取得突破。因而，美国航空航天局希望通过降低弹道系数的方案尽快提升减速技术。由于弹道系数与探测器进入段的质量/阻力面积成正比，可通过增加探测器进入段的阻力面积降低弹道系数，从而提高超声速飞行阶段的减速效果。

受运载火箭整流罩尺寸限制，减速器无法采用大尺寸刚性结构增加阻力面积。因而，美国航空航天局开始关注轻质充气式气动结构减速器。未来在火星探索任务中，“低密度超声速减速器”在发射和飞行过程中保持在未充气状态，满足火箭整流罩尺寸要求。在进入气动减速前，利用气体发生器快速对充气结构进行充气，使其迅速膨胀，增大阻力面积，降低弹道系数，实现减速的目标。

“低密度超声速减速器”的组成和项目验证内容

“低密度超声速减速器”由超声速充气式气动减速器（SIAD）和大型超声速环帆伞构成。为进行“超声速飞行气动试验”技术验证，美国航空航天局研制了2种超声速充气式气动减速器和超声速环帆伞进行技术验证。

美国航空航天局火星探测任务重要参数对比

1）超声速充气式气动减速器：美国航空航天局曾于20世纪60年代开展充气式气动减速器技术研制，但在70年代“海盗”成功着陆火星之后便停止了该项技术的研究。在美国航空航天局提出更大着陆质量的需求后，喷气推进实验室重启充气式减速器技术研究。本项目将分别验证直径6m的圆环型SIAD-R和直径8m的等张力面型SIAD-E减速器，其中，由凯夫拉制成的SIAD-R减速器质量50kg，用于发展火星表面探测机器人等有效载荷着陆所需的减速器技术。而由泰克诺拉制成SIAD-E减速器则用于发展载人火星探测计划等需要中大型有效载荷着陆所需的减速器技术。尽管两种减速器的构型和尺寸不同，但其作用均是在火星稀薄大气环境中通过充气膨胀增加着陆器的气动阻力，对超声速（Ma为3.5以上）飞行的着陆器进行气动减速，最终使飞行速度下降至约Ma为2，达到降落伞安全展开的条件。

2）大型超声速环帆伞：迄今美国发射的全部火星着陆器均采用适合在空气比较稀薄条件下工作的“盘-缝-带”降落伞。其中，2012年在火星表面着陆的好奇号采用的降落伞直径为21.5m，开伞速度Ma为1.77，已达到“盘-缝-带”降落伞的尺寸极限。与以往的火星着陆器不同，“低密度超声速减速器”将采用尺寸更大的环帆伞，与“盘-缝-带”降落伞相比，环帆伞的开伞冲击载荷较小、稳定性好，具有相当高的可靠性（美国载人飞船着陆系统的主伞都采用这种环帆伞结构）。美国喷气推进实验室综合考虑减速效率、稳定性和超声速环境下的开伞效果等因素，最终决定采用质量100kg、直径30.5m的超声速环帆伞，其开伞速度可达Ma为2，面积几乎是好奇号的2倍。

减速过程

SIAD-R（左）和SIAD-E（右）减速器

当探测器进入火星大气时，其飞行速度一般Ma为3～4，利用“超声速充气式气动减速器”充气膨胀，增大探测器的气动阻力以降低飞行速度。当速度降至Ma约为2（安全开伞速度）时，再利用降落伞进一步减速。

3 “低密度超声速减速器”的验证

已完成的地面试验

美国航空航天局已对“低密度超声速减速器”项目进行了多次地面试验。由于“低密度超声速减速器”项目中采用的超声速充气式气动减速器和大型超声速环帆伞的尺寸较大，无法在超声速风洞中进行气动力学试验，因而地面试验都是利用火箭滑橇进行的。

2012年10－11月，美国航空航天局对SIAD-R减速器进行了3次火箭滑橇试验。试验中，火箭滑橇将直径4.6m的气动壳体加速到134m/s，模拟其在火星大气层内膨胀时所处的气动力环境，然后使SIAD-R减速器充气膨胀展开（直径达到6m）并开始减速。虽然SIAD-R减速器膨胀时无法达到火星降落时的速度，但由于地球表面大气密度较高，此次试验中SIAD-R减速器所承受的压力比预期火星任务目标高25%。试验结果表明，SIAD-R减速器可在所需的动压环境下瞬间展开定型，达到预期的减速效果。

直径30.5m的超声速环帆伞

未来火星软着陆过程示意图

美国航空航天局对大型超声速环帆伞也进行了试验。首先利用直升机将降落伞送到空中，降落伞通过一根1km长的由加强型凯夫拉纤维制成的绳索与火箭滑橇连接。试验中，利用滑轮系统将滑橇对降落伞560kN的拉力方向改为向下。试验表明，直径30.5m环帆伞可顺利展开。

正在开展的一系列平流层“超声速飞行气动试验”

SIAD-R减速器火箭滑橇试验

2014年6月28日起，美国航空航天局将对“低密度超声速减速器”技术进行了一系列平流层试验。利用平流层大气环境模拟探测器进入火星大气时所处的环境，验证整个超声速减速技术的减速效果。为此，美国航空航天局专门研制了用于技术试验的“超声速飞行气动试验”飞行器和平流层气球等装置。

“超声速飞行气动试验”飞行器质量3600kg，由直径4.7m的SIAD-R减速器（充气后达6m）、大型超声速环帆伞和星－48小型固体火箭助推器3部分组成。

试验过程中，试验飞行器从位于太平洋的夏威夷由气球携带进入高空。该气球充满6577kg氦气，可将试验飞行器带至36600m高空，然后该飞行器与气球分离，其携带的固体火箭助推器点火工作。最终，该飞行器将被推至54800m高空，飞行速度增至Ma为3.5。试验通过这一高度和飞行速度可以模拟火星着陆器进入火星大气时的大气环境。此后，试验飞行器通过气体发生器对SIAD-R减速器迅速充气，将其展开，利用充气装置的气动阻力辅助飞行器减速。当飞行器下降速度降至Ma为2（安全开伞速度）时，展开大型超声速环帆伞，通过环帆伞进一步减速。最终，试验飞行器溅落在预定海域，飞行器的硬件、黑匣子数据记录器和降落伞均被找到并回收。

本次试验不但验证了试验飞行器的飞行能力，还额外地对SIAD-R减速器和超声速环帆伞进行了试验。试验结果表明，飞行器和SIAD-R减速器达到预设的试验结果，但降落伞在展开过程中被撕裂损毁。研究小组正对降落伞的数据进行分析，以便于在2015年初进行的下一次试验飞行中解决这一问题。

大型超声速环帆伞火箭滑橇试验（右下为滑轮系统）

接下来，美国航空航天局将于2015年夏季利用配有SIAD-E减速器的“超声速飞行气动试验”飞行器对SIAD-E减速器进行试验。

4 超声速减速技术的应用前景

采用直径6m的SIAD-R减速器与直径30.5m大型超声速环帆伞方案的新型超声速减速器，可将火星表面软着陆质量提高至2～2.7t。未来，通过“低密度超声速减速器”技术发展的减速器，同时再采用4～5个降落伞组成的多伞系统，从而使火星表面软着陆质量提升至最高15t。

由于新型减速器减速效果优于传统方案，可减少火星着陆器气动减速的飞行距离，为高海拔地区着陆提供可能（着陆点的海拔高度可增加2～3km），大大增加火星表面可探测区域。这些地区往往由古老的地层组成，受到水的侵蚀也较少，是美国航空航天局未来探测的重点。

此外，美国航空航天局提出，利用“低密度超声速减速器”技术实施火星着陆，将有助于提高着陆精度，可将着陆误差椭圆从10km×10km缩小至3km×3km。

5 结论

1）美国在2020年后实施的火星机器人探测以及2030年后实施的载人火星探测，都需要较大质量的软着陆技术作保障。尽管美国航空航天局已在进入和着陆段开发并应用了一系列新技术（如，进入段的高超声速制导、着陆段的气囊和空中吊车等），但下降段的减速技术并无实质性进展（如，降落伞技术始终沿用“海盗”时期的“盘-缝-带”降落伞），因此美国航空航天局需要开发性能更高的减速技术。

2014年6月的平流层试验过程示意图

“低密度超声速减速器”技术可增加的火星着陆区域示意图

2）美国航空航天局认为，环帆伞具备承受动压较大、开伞点速度较高等优点，可突破“盘-缝-带”降落伞的尺寸极限。另外，附着式超声速充气气动减速器具备易折叠包装、质量轻、展开阻力面积大、进入时弹道系数低和产生的气动热量小等优点，可保障刚性气动外形和大型环帆伞减速能力的相互匹配。因此，由这两个减速装置组成的下降段减速方案，可突破传统方案的着陆质量极限，具有大幅提高着陆精度、着陆海拔高度的潜力。

3）美国航空航天局在完成“低密度超声速减速器”技术地面试验的基础上，又利用平流层稀薄大气环境模拟火星环境，对该技术开展一系列全尺寸飞行试验。相比于美国航空航天局正在研究的其他减速技术（高超声速减速器、超声速反推火箭等），技术成熟度较高的“低密度超声速减速器”技术可确保美国尽早突破目前火星着陆质量极限。预计2018年，美国航空航天局即可全面掌握该项技术，但从需求角度来看，或将在2021年才有机会应用该技术。