□ 黃志澄

最近美國國家研究委員會，在對美國航宇局（NASA）的載人火星探索任務的評估報告中，將“進入、下降與著陸（Entry, Descent, and Landing,EDL）”技術，列為載人火星探索任務的第一項關鍵技術。其余兩項分別是空間推進及能源和輻射安全。對于載人火星探索任務，為何EDL 技術會顯得如此重要？為了問答這個問題，就讓我們首先從“好奇”火星探測器的EDL過程說起。

“好奇”的恐怖7分鐘

以核電池作為動力、重為899千克的“好奇”號 火星車，是NASA迄今為止最為先進的火星車。它在NASA還有一個學名，叫做“火星科學實驗室”（MSL）。它于2011年11月26日發(fā)射升空，并在2012年8月6日在火星表面著陸。

NASA設計“好奇”號時，遇到的最大困難，就是它的EDL系統(tǒng)。2012年8月4日，在“好奇”即將飛抵火星時， NASA發(fā)布了一個5分鐘長的視頻，名叫“‘好奇’的恐怖7分鐘”。這個視頻說明：從“好奇”號進入火星大氣層起，直到它的輪子觸及火星表面，需要在7分鐘時間內，將它的時速從20920千米降至零。這是生死攸關的7分鐘。特別是“好奇”號并沒有采取過去采用的制動火箭、氣囊、著陸支撐等方案，而是大膽地采用了“天空起重機（Sky Crane）”的著陸方案。這個方案在地面是無法進行完全的模擬試驗的，因此存在很大風險。方案是否成功，就在此一舉。

“好奇”號在EDL階段，超過90%的減速是在打開降落傘之前，由探測器和火星大氣之間的劇烈摩擦而實現(xiàn)的。大約在“好奇”號進入大氣層之后75秒，隔熱罩的溫度達到了最高值，此時隔熱罩外表面溫度高達2100攝氏度。大約又經(jīng)過10秒，就達到最大減速值。減速的最大負載可達10g -15g?！昂闷妗碧栐谶M入火星大氣層254秒后，開啟了直徑約16米的降落傘，此時距離火星地表大約11千米，探測器的速度為每秒405米。在降落傘打開24秒后，探測器與前隔熱罩分離，此時高度約8000米，速度為125米/秒。此時，火星車和“天空起重機”的下降級仍在后隔熱罩內。在前隔熱罩分離約85秒后，后隔熱罩和與其連接的降落傘與“下降級及火星車組合體”分離。此時離地面約1.6千米，速度為80米/秒。與此同時下降級上安裝的8臺反推發(fā)動機同時啟動，進入有動力的緩慢下降階段。當組合體距離地面高度約20米，速度降至大約0.75米/秒之后，伸出幾根纜繩，將火星車從下降級中吊出，懸掛在下面。隨后，組合體將持續(xù)保持這一速度，直到16秒后，將火星車穩(wěn)穩(wěn)地放置在地面上為止。

由于火星大氣層的不確定性，導致“好奇”號在EDL過程中每一步驟發(fā)生的時間和相應的高度，都存在一定的誤差。整個EDL過程可能在380秒～460秒之間。變數(shù)最大的是在降落傘打開后將飛行多長時間，可能在55秒～170秒之間。由此可見，為了保障著陸成功，將對EDL的“導航、制導和控制”（GNC）技術，提出了很高的要求。

“好奇”號的EDL過程

載人火星探索的EDL更加困難

實際上，至今各國發(fā)射的無人登陸火星的探測任務共有19次，只有7次能登陸成功，其中最重的是“好奇”號，其著陸質量也不到1噸。因此，比“好奇”號重得多，質量達10噸～50噸的載人火星飛船，其EDL技術的難度將更大。

首先，由于火星大氣層的特性非常復雜，并隨時間和地點都有變化，相比地球大氣層而言，我們對它又知之甚少，因而存在很大的不確定性，這就較難控制其著陸精度。其次，火星大氣層和地球完全不同，其主要成分是二氧化碳，大氣的密度又不到地球大氣的百分之一。如何在不到10分鐘的EDL時間內，在這樣稀薄的大氣中，把飛船速度從超高聲速，一直降到零,就顯得十分困難。尤其困難的是中間的“下降”階段，要將相當大的軌道能量，在接近火星地表前，減到不足原來的1%。再次，由于火星的地形地貌十分復雜，載人飛船只有實現(xiàn)比無人時更精確的著陸，才能確保人員的安全。一般來說，無人火星探測器的落點精度為小于5千米，而載人火星探索任務將要求小于100米，這就大大增加了載人火星探索任務EDL技術的難度。

問題不僅至此為止，火星大氣雖然稀薄，但對于高速進入的載人飛船來說，仍然產(chǎn)生了嚴重的氣動加熱。由于隨著飛船尺寸的增大，其雷諾數(shù)必然增加，從而使探測器表面的邊界層，將提前轉換成湍流，從而使表面的熱流密度大大增加。美國 “火星科學實驗室（MSL）”的風洞試驗表明，在70度倒球錐的后部，湍流的熱流密度，將是層流時的6倍，從而迫使NASA在2008年重新設計了MSL的防熱系統(tǒng)（TPS），從較輕的SLA-561V，改成更耐熱的 PICA 。未來的載人火星飛船的尺寸更大；同時，無人火星探測器最大進入速度僅為7.6千米/秒,而載人火星探索任務的進入速度，可達到9.0千米/秒，因此，氣動加熱問題將為更加突出。

NASA將載人火星探索任務的EDL技術分成高超聲速、超聲速和亞聲速終點下降等三個階段，附圖列出了每個階段的關鍵技術。對于未來的載人火星探索任務，將會選擇和組合使用圖上提及的各項EDL技術。

NASA 正在研究的各種EDL技術

NASA 正在研究的各種EDL方案

中等升阻比的進入飛行器

美國無人火星探測器的EDL有兩種模式。一種是最初的“海盜”和最近的“MSL”，采用的是升力式進入；而其余的“火星探路者”、“鳳凰”、“勇氣”、“機遇”等都是采用彈道式進入。彈道式進入時探測器的總加熱量較小，但最高的熱流密度較大。升力式進入的結果卻與此相反。升力式進入還可以減小過載，增加機動距離，提高落點精度。但是，就“MSL”而言，其升阻比也并不太大，只有0.24左右，這顯然難以滿足載人火星探索任務氣動加熱更加嚴重時的要求。為此，NASA正在研究一種“中等升阻比的進入飛行器”，其升阻比將在0.4至0.8之間，可能的外形是鈍雙錐或鈍橢圓柱。

目前NASA 蘭利研究中心已經(jīng)在馬赫數(shù)為6.0的0.6米風洞中，對中等升阻比的外形進行了試驗，試驗結果表明，其邊界層的轉捩特性，將取決于其外形的變化。目前，NASA對于未來的載人火星的進入，是采用傳統(tǒng)的倒鈍錐外形，還是采用中等升阻比外形，并未做出決策，估計這要等到載人火星探索任務的總體方案決定之后，才能最后定案。若是總體方案要求登陸艙和居住艙一起進入火星大氣層，則有可能采用中等升阻比的外形。

NASA系統(tǒng)分析表明，在載人火星探索任務EDL過程的高超聲速階段，采用中等升阻比的外形比起使用在下節(jié)介紹的“高超聲速充氣氣動減速器(HIAD)”來，將增加20%的質量。因此，NASA的研究人員正在對中等升阻比的外形和進入軌道進行優(yōu)化，使其最大熱流密度和總加熱量進一步減小，從而使它能夠采用NASA在“高超聲速充氣式氣動減速器（HIAD）”計劃中發(fā)展的柔性防熱材料，來設計其TPS系統(tǒng)，以減少其質量。

中等升阻比外形與HIAD方案的比較

IRVE-3在車間

HIAD的EDL過程

高超聲速充氣式氣動減速器(HIAD)

為了確保更大質量有效載荷能在火星表面精確著陸，NASA正在發(fā)展一系列的創(chuàng)新技術。對于載人火星探索任務，若使用“好奇”用過的傳統(tǒng)降落傘，其面積將有一個足球場那樣大，已經(jīng)沒有了實際應用的可能。這時，一種“充氣式氣動減速器（IAD）”就應運而生了。IAD將防熱與減速兩種功能集于一身，而且具有質量輕、可折疊等優(yōu)點，在載人火星探索任務中將會有廣闊的應用前景。例如，NASA設想的HIAD方案，當載人飛船進入火星大氣層后可以膨脹開來，其直徑在數(shù)秒內從大約4.5米變?yōu)榇蠹s23米，并采用特殊的高強度耐高溫材料，可以耐得住進入火星大氣層時所遇到的高溫環(huán)境。

NASA為了研究試驗HIAD方案,已進行了一系列“充氣式再入飛行器試驗（IRVE）”的飛行試驗。2007年在弗吉尼亞州沃勒普斯發(fā)射場，NASA進行了IRVE-1試驗，由于驗證飛行器與“黑雁”探空火箭分離時失敗，導致試驗失敗。

2009年8月17日，進行了IRVE-2試驗，它由“黑雁”9探空火箭將試驗飛行器推到211千米的高度后，末級火箭攜帶驗證飛行器以超聲速下落。發(fā)射后90秒，IRVE-2被釋放。在自由下落了3分30秒后，防熱罩開始充氣。根據(jù)傳感器信息顯示，防熱罩可充氣達到全尺寸，且姿態(tài)穩(wěn)定。隨后的30秒內，研究人員搜集了熱流密度和壓力的數(shù)據(jù)。

2012年7月23日，NASA進行了IRVE-3 試驗，試驗過程中再入速度達到3千米/秒，最高熱流密度接近20 W/cm2。充氣式防熱罩使用了組合結構，防熱層使用了Nextel 312、承力結構使用了Kevlar、氣密層使用了Kapton，鼻錐則使用了Teflon。這樣的組合使得飛行器能抵抗1260℃的高溫。

NASA還計劃進行IRVE-4試驗，主要驗證其控制系統(tǒng)的性能。此外，在HIAD計劃中，還有兩次“高能大氣再入試驗”（HEART）的飛行試驗。試驗將利用更大的充氣式防熱罩（直徑可能達到8米），以探索這種技術在更加嚴苛的再入環(huán)境下的適應性，進一步擴大其應用范圍。

當前，發(fā)展HIAD的主要關鍵是總體優(yōu)化設計、確定其氣動熱力學性能、研發(fā)輕質的防熱材料，解決折疊和展開的穩(wěn)定性問題。

LDSD的飛行試驗略圖

LDSD的外形

在車間裝配中的LDSD

低密度超聲速減速器（LDSD）

NASA除了發(fā)展HIAD而進行一系列飛行試驗之外，還在研發(fā)“低密度超聲速減速器（The Low Density Supersonic Decelerator ,LDSD）”。NASA當前正在為LDSD項目研發(fā)三款裝置，其中兩款為“超聲速充氣式氣動減速器（Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator, SIAD）”。6米的SIAD-R減速裝置，主要面向機器人任務；而8米的SIAD-E減速裝置，則適合于載人任務。另一款裝置則是30.5米的“巨型超聲速降落傘”。前兩款裝置在未開啟時，能夠容納在很小的容器中；而在展開時，將快速充氣膨脹，從而能夠實現(xiàn)從3.5馬赫到2馬赫的降速效果。然后，再打開上述的巨型超聲速降落傘，把探測器進一步減速至亞聲速。

SIAD的設計思想?yún)⒖剂讼耐暮与嗟奶匦裕@種河豚遇到外來的敵人時，可讓身體迅速膨脹。由聚乙烯膜制成的SIAD設計成半球形，在它進入火星大氣層后能迅速膨脹，在完全展開后它的面積達到足球場大小，大大增加了它與火星稀薄大氣的接觸面積，從而增加阻力而使探測器減速。它外層的隔熱裝置可以采用消耗性材料。SIAD和HIAD的最大差別就在于SIAD的防熱措施要簡單得多。

為了在地球上進行模仿火星大氣層的試驗，NASA的工程師們決定將LDSD的試驗平臺，提升至地球平流層中進行試驗。在哥倫比亞科學氣球基金提供的氦氣球幫助下，首先將試驗平臺送到太平洋上空37千米處。然后在火箭助推下爬升至55千米高空。在這里的大氣密度接近火星的大氣層后，試驗平臺將以4馬赫左右的速度高速下落。然后。試驗平臺的減速器將會膨脹使它減速，再通過減速傘進一步減速，最終落入太平洋。

NASA在6月28日在夏威夷考艾島的導彈試驗場，對SIAD進行首次測試。在這次試驗中，雖然實現(xiàn)了SIAD的充氣膨脹，但大降落傘卻沒有打開。如果今后的試驗一切順利的話，NASA有望于2020年開始將LDSD投入使用。

單噴口反向推進的流場

反向推進的總阻力系數(shù)

反向推進的風洞試驗模型

反向推進的飛行試驗

超聲速反向推進(SR)

NASA很早就開始了超聲速反向推進的研究試驗工作。在上世紀50至70年代，作為對空氣動力減速裝置的增強方案，在蘭利研究中心的風洞中，進行過一系列風洞試驗。這些試驗的結果，顯示了在探測器前面的噴流與探測器前的弓形激波，會發(fā)生復雜的相互作用，從而產(chǎn)生了十分復雜的流動現(xiàn)象。

由圖可見，對于單噴管的情況，在噴口和弓形激波之間，又形成了一個噴流激波，其位置取決于噴流的總壓與來流總壓之比。在以后的30年內，這項研究試驗工作基本上處于停滯狀態(tài)。直到2000年以后，NASA在研發(fā)“火星科學實驗室”的EDL方案時，才重新提出來。該項技術就是在飛行器進入火星大氣層時，依靠反推火箭發(fā)動機，對飛行器進行減速，但在下降階段只使用反推火箭一項技術，則需要的燃料太多，而且難于保證降落時的穩(wěn)定性，因此，應將這項技術和其它技術組合起來使用。

將超聲速反向推進用于火星EDL時，飛行器總的阻力系數(shù)是飛行器的氣動阻力系數(shù)和發(fā)動機推力系數(shù)之和。此時，氣動阻力系數(shù)約為1.5左右,而推力系數(shù)約為10左右。因此，推力系數(shù)將起決定性作用。NASA在2009年提出的“載人火星探索設計參考體系結構（DRA5.0）”中，設想的超聲速反向推進方案是采用6個液氧/液甲烷發(fā)動機，最大推力為300千牛。

蘭利研究中心在其UPWT風洞和Ames研究中心在它的2.7米x2.1米的風洞中，對同一模型（700球錐柱，有1至4個噴口）進行了風洞試驗，研究了發(fā)動機的推力對飛行器壓力系數(shù)的影響。今后這項技術的研究重點是研究大發(fā)動機的節(jié)流問題，并確定噴流和超聲速來流的相互影響。為了確定噴流對飛行器氣動力性能的影響和采用有效的防熱措施，需要進行廣泛的流體力學（CFD）計算和風洞試驗，并計劃利用探空火箭和氣球在地球上空進行飛行試驗。

NASA的《載人火星探索設計參考體系結構5.0》

SpaceX公司的第二代“龍”飛船

著陸技術需要提前預研

對于載人火星探索任務的終點下降的方案，由于載重的限制，“好奇”號的“天空起重機”方案，似乎已不再適用，目前可采用的方案包括氣囊 、著陸輪和著陸柱、反推火箭和可粉碎的能量吸收器等，當然也包括以上述各種方案的組合。這里我們注意到，今年5月29日，美國太空探索技術公司發(fā)布了第二代“龍”飛船概念。這艘配備了7個座位的載人飛船有望在2017年正式飛往太空。依靠探測器外部呈X形布置的4組共8臺SuperDraco發(fā)動機，“龍”飛船可以在低空減速乃至懸停，并伸出4個支架，以降落在選定的任何地方。這一技術有可能用于未來的載人火星探索任務。

綜合以上分析，未來的載人航天任務，將在上述的各種EDL技術中進行選擇和組合。究竟如何組合，將取決于載人火星探索任務的總體方案和相關技術的成熟程度。目前，NASA有關載人火星探索任務的總體方案，只有2009年7月發(fā)布的《載人火星探索設計參考體系結構5.0(DRA5.0)》，估計這個體系結構，在今后還會根據(jù)任務要求和各分系統(tǒng)的進展而有所變化。

眾所周知，發(fā)展EDL技術，需要多學科（如總體、氣動、結構、材料、控制等）的協(xié)作攻關。主要的手段包括分析計算、地面試驗和飛行試驗等三種。在地球上空進行的飛行試驗雖然很重要，但它也并不能完全模擬火星EDL的真實情況，而進行火星上的飛行試驗的機會，少之又少。因此，要促使這些技術逐步走向成熟，其難度肯定很大。對此，蘭利研究中心的載人火星探索任務EDL項目的主管米歇爾?孟克在給美國國家研究委員會提交的報告中認為，未來的載人火星探索任務正面臨EDL技術的嚴峻挑戰(zhàn)，突破這些關鍵技術，將需要超過20年的時間。由此可見，中國在載人火星探索EDL技術方面，應該及早啟動全面、系統(tǒng)的預研工作。