火星探测器减速着陆技术特点

荣 伟 陈国良

(北京空间机电研究所,北京100076)

由于火星上存在大气层,因此要实现火星探测器在火星表面的软着陆,就可以与航天器在地球上实现软着陆一样,充分利用火星大气对探测器实现气动减速,并使其在火星表面安全着陆。着陆火星的工作过程与航天器绕地球轨道返回和着陆的过程相似,这也是俄、美实现火星着陆采用的方法。然而,由于火星大气层的成分、物理性质等与地球的大气存在着较大的差别,所以火星探测器减速着陆系统的设计有着自身的特点和要求[1]。本文主要根据火星大气环境的一般特征,对火星探测器减速着陆技术的基本特点进行了初步分析,以便为火星探测器减速着陆系统的设计提供参考。

1 火星大气的一般特征

火星是一颗离地球最近的外行星,它处于地球轨道的外侧。火星的直径为6 776km,是地球直径的0.532;质量为6.418 5×1023kg,是地球质量的0.107 4;平均密度为3.94×103kg/m3;表面重力加速度为3.8m/s2。

火星大气的主要成分为CO2(95.32%)、N2(2.7%)、Ar(1.6%)、O2(0.13%)、CO(0.08%),平均摩尔质量为43.34g/mol。

火星上大气非常稀薄,表面大气压为690～900Pa,即火星表面气压相当于地球上空30～40km高度处的大气压;火星表面大气密度约为0.015kg/m3;平均温度为-63℃,昼夜温差很大,“海盗一号”的着陆点(北纬22.27°,西经47.97°),白天为-31℃,夜晚为-89℃。赤道地区中午可达20℃,两极地区在漫长的极夜最低温度可到-139℃。图1、图2分别为火星大气密度和温度随高度的变化情况[2]。

图1 火星大气密度随高度的变化

图2 火星大气温度随高度的变化

2 火星探测器减速着陆系统特点

与地球上大气相比,火星大气密度非常稀薄。在离火星表面10km的高度,其大气密度约为0.006 5kg/m3,而在离地球表面10km高度处的大气密度约为0.413kg/m3,即火星上的大气密度要比地球的小两个数量级。火星探测器在如此稀薄的大气层里运动,必须充分发挥探测器自身气动阻力的减速作用。

为了简化分析,假设火星探测器依靠其自身的气动阻力到达离火星表面10km高度时趋于稳定下降速度。于是,根据弹道系数β可以得出不同稳降速度与弹道系数间的关系。

式中 M为探测器质量;CD为阻力系数;A为参考面积。

图3比较了航天器在火星和地球大气中运动时,10km高度处的稳降速度和弹道系数间的变化关系。由图3可知,稳降速度要求越小则弹道系数也越小,而且在同样的稳降速度要求下,火星探测器的弹道系数远远小于地球上返回的航天器,约为地球上的1/25,所以火星探测器的弹道系数非常小,一般小于100kg/m2。

由弹道系数的定义可知,对于一定质量的航天器来说,β的减小意味着阻力系数或最大截面积需要增大。因此为了充分发挥火星探测器自身气动阻力的减速作用,一般其阻力系数和迎风面积要尽可能设计得大一些。尽管在火星探测器设计时尽可能使弹道系数减小,但由于各种条件的限制,一般探测器下降到开伞高度时,其速度仍将达到400m/s左右,处于超声速状态下。由于大气密度很小,开伞动压只有600Pa左右,因此,降落伞的开伞可采用直接弹伞的方式,一次开伞即可。

假设将质量为600kg的探测器降落到火星表面。考虑到火星大气环境下所使用的降落伞一般为盘-缝-带伞,取其阻力系数为0.6[3-4]。根据稳定下降时的平衡关系,如式(2),可得到着陆速度与降落伞面积的关系,见图4。

图3 稳降速度和弹道系数间的关系

式中 gm为火星表面重力加速度,取为3.8m/s2;ρ为某一高度的大气密度;m为舱伞系统质量;v为稳定下降时速度。由此可知,若将一个质量600kg的探测器,只通过降落伞减速降落到火星表面,即便降落伞的面积达到1 200m2,其着陆速度仍有20m/s。何况对于一个600kg的探测器来说,采用1 200m2的降落伞来减速是根本不可能的,即在火星这样稀薄的大气环境里,仅采用降落伞减速后,还远不足以达到安全着陆的速度。因此,一般最后还要通过着陆反推发动机或着陆缓冲手段来进一步减速或吸收冲击能量,以实现安全着陆。

图4 着陆速度与降落伞面积的关系

综合以上分析,火星探测器减速着陆系统有如下的技术特点:

1)火星探测器在火星表面实现软着陆,必须通过自身的气动外形、降落伞和着陆制动等综合减速和缓冲方案来完成,像地球卫星那样,单靠气动力减速方法来实现软着陆是不现实的、也是不经济的;

2)火星探测器的弹道系数较小,一般小于100kg/m2;

3)探测器经自身气动阻力减速下降到开伞高度时,其速度仍将达到400m/s左右,处于超声速状态下开伞,由于大气密度低,对降落伞的强度压力不是很大,但超声速充气环境复杂,要求充气性能良好;

4)由于火星大气密度小,开伞动压较小,一般可采用弹伞筒直接弹伞和一次开伞技术。

3 气动外形特点

合适的气动外形是确保火星探测进入器进入火星大气层,安全通过高速高温飞行区,并最终实现软着陆的重要保障。由前面火星探测器减速着陆系统的技术特点分析可知,探测器从进入火星大气至降落伞开伞(一般在海拔高度5～10km),其下降速度由几千米每秒减小到400m/s左右,主要是依靠探测器自身的气动阻力进行减速的。

图5 火星探测器外形示意图

由弹道系数的定义式(1)可知,在探测器质量一定的情况下,为了减小弹道系数,就要增大进入器的阻力系数或最大截面积。因此,对于火星探测器来说,一般需要采用半锥角较大的球锥形,如图5。

对于图5所示的外形,有3个重要的尺寸参数是与气动减速性能、气动加热特性和稳定性密切相关的。它们是底部半径Rb、头部曲率半径Rn和半锥角θ。

一般随着半锥角的增大,阻力系数显著增加[1,5-6]。较大的半锥角意味着头部更钝,增大阻力系数并改善了气动加热环境;而较小的半锥角(头部较尖)可以获得更好的稳定性。因此,锥面半锥角θ的大小需要综合考虑阻力特性、气动加热与稳定性等多方面因素。

头部曲率半径Rn与底部半径Rb的比值叫钝度,它反映了球锥体头部的气动特性。虽然钝度对阻力系数影响较小,但是它直接影响驻点附近的气动加热和压心位置[6]。由于驻点热流密度与头部曲率半径的平方成反比,钝度越大的探测器头部气动加热越小。然而钝度越大,进入器的压心位置越靠前,会导致轴向静稳定性变差[6]。

因此,综合半锥角和钝度对进入器阻力特性、气动加热与稳定性等多方面的影响,目前美国的火星探测进入器的半锥角设计成70°,采用Rn/Rb=0.5的钝度。

4 降落伞特点

4.1 降落伞的结构特点

一般来说,降落伞的稳定性是随着其透气量的增加而增大的。降落伞的透气量由伞衣织物透气量和结构透气量两部分组成。织物透气量决定于织物的编织组织、环境压力以及所处的空间环境。织物的纱线之间存在的细小缝隙(透气孔)即是产生织物透气量的条件。在不可压缩流状态范围内,织物透气量随着压差增大而增加。然而,在相同压差条件下,伞衣织物的有效透气量(通过织物的气流平均速度与自由流速度之比)随高度变化而有很大差异,在某一高度上伞衣的有效透气量(Wy)与同样压差条件下在海平面情况的有效透气量(Wy0)有如下关系:

式中 ρ0为海平面的大气密度;n为小于1的指数,一般层流情况取0.5,紊流情况取1/14[7]。

表1列出了不同高度(或大气密度)下降落伞有效透气量比的变化情况,伞衣织物的有效透气量随高度增加而大大地减小,即伞衣织物的有效透气量随大气密度的减小而减小。于是在大气密度较大的环境中有较大透气量的伞衣织物,在低密度环境下,其有效透气量有可能减小到接近于零,即伞衣在低密度环境下将可能变成不透气的织物。因此,在稀薄大气环境中,如果降落伞没有一定的结构透气量,其稳定性将很差,在物伞系统的下降过程中会呈现出较大的摆动和不稳定。

由于火星表面的大气密度大约相当于地球上空35km左右高度的大气密度,在此种环境中工作的降落伞,其织物的透气量可以忽略不考虑,因此,为了保证降落伞工作的稳定性,降落伞必须设计成具有一定结构透气量的伞型,这是火星探测中所用降落伞的特点之一。

众所周知,同一具伞不能同时兼有最大的阻力特性和最佳的稳定性。增大伞衣的透气量可以改善降落伞的稳定性,但也降低了该伞的阻力性能,如果透气结构位置设计不当,还有可能影响降落伞的开伞可靠性。如美国的“PEPP”降落伞中[8]曾用名义透气量为3 550L/(m2◦s)的伞衣材料制造的改进环帆伞(名义直径为12.2m),总的结构透气量为15%,其中伞衣上部的结构透气量为2.25%。在高空(37.2～48.5km)试验时,结果降落伞没有完全充满,继而伞绳缠绕,影响正常工作,其原因就是由于伞衣上部的透气量太大造成的。后来在另一具降落伞(名义直径为16.6m)中,使用名义透气量小于1 016L/(m2◦s)的伞衣材料,上部的结构透气量为0.9%,试验中降落伞工作正常,性能良好。因此,对于稀薄大气中使用的降落伞,为了提高其稳定性且不致影响伞的工作可靠性,一般采用伞衣上部透气量较小,并在伞衣底边附近增加一个较大的宽缝,以构成具有结构透气量的伞型,这是火星探测中所用降落伞的主要特点。所以,在火星探测中所使用的降落伞一般为盘-缝-带伞或改进的环帆伞即在伞衣底边附近去掉一个帆片,形成一个宽的缝隙。

4.2 降落伞性能验证特点

通过对火星探测器的减速着陆特点分析可知,火星探测用降落伞除工作在稀薄的大气环境中外,其开伞速度还较大,基本处于超声速范围,且开伞动压较小。这些开伞条件和工作环境对降落伞性能的影响是火星探测器着陆系统工程设计中的关键之一,也是与返回地球上的航天器着陆系统设计的一个主要不同点。这也使得火星探测用降落伞的性能验证与地球上回收航天器所用的降落伞的性能验证存在着不同,无论是从试验方法、试验条件的模拟以及理论分析上都有所差别,也是降落伞研制过程中需要特别注意和重点考虑的问题。

为了验证稀薄大气环境对降落伞性能的影响,降落伞的性能试验必须在地球上30km以上的高空中进行模拟试验,然而,由于地球大气成份与火星上的不同,火星表面的声速要比地球上30～35km处的小35%左右,因此,在高空模拟试验中虽然能够模拟大气密度环境,但开伞马赫数、动压和速度是无法同时模拟的,而且由于重力场不同,试验中质量和重力也是无法同时模拟的。正由于存在上述诸多环境条件的不同,火星探测用降落伞的性能验证,不能像地球上回收航天器所用的降落伞那样可以通过空投试验来直接验证,而是需要通过试验与理论相结合的方法来验证,即先要通过试验对一些单项条件分别进行模拟验证,然后还要采用理论分析或仿真来综合验证。所以,在火星探测用降落伞的研制过程中,必须根据单项模拟试验中所获取的数据不断地完善、修正、验证物伞系统的动力学理论分析模型,再通过理论分析和仿真来验证降落伞能否满足火星探测着陆任务。

一般对于火星探测用降落伞研制的基本思路如下:

1)确定降落伞的基本构型,初步设计降落伞;

2)通过风洞试验、低空和高空投放试验来分别模拟验证各单项条件的影响,并逐步改进,建立和完善物伞系统动力学理论分析模型或仿真系统;

3)通过仿真系统再对进入火星大气环境条件下的物伞系统性能进行评估,并确定改进内容;

4)通过风洞和空投试验来验证改进的降落伞系统;

5)通过仿真系统来鉴定进入火星大气环境条件下的物伞系统的性能。

5 着陆缓冲特点

目前,在航天器工程中常用的着陆缓冲装置有反推发动机、缓冲气囊、机械式缓冲装置或吸收能量的易损结构等。由于火星上的大气比较稀薄,一般火星探测着陆器经降落伞减速后,接近火星表面时的稳定下降速度占在55～90m/s左右,如果直接采用气囊缓冲或机械式缓冲装置进行着陆都是难以实现的,因此,在触地缓冲之前必须先采用反推发动机将着陆器的下降速度进一步减小,最后再采用缓冲装置进行缓冲着陆,才能确保着陆器的安全着陆。

此外,火星探测器的着陆要求与航天器返回地球上的着陆要求也不一样,地球上对航天器进行回收,一般是航天器已经完成了试验工作,只是将试验结果或成果回收,地面回收人员可以直接从返回舱上获取;而火星着陆器则不同,它着陆以后,只是进行科学考察和试验的开始,火星探测器着陆时,必须保证它具有正常工作的姿态,这是着陆缓冲装置设计时首先要考虑的问题。其次由于火星表面存在较多的岩石,这对着陆器的着陆缓冲装置来说也是一个潜在的危险,如何使其适应这样复杂着陆地貌和不同介质条件,这是缓冲装置设计面对的另一个问题。

6 结束语

针对火星上的稀薄大气环境和火星探测器的着陆要求,通过对火星探测器减速着陆过程的分析,得到了以下几个基本技术特点:

1)火星探测器在火星表面实现软着陆,一般需要通过其自身的气动外形、降落伞和着陆制动等综合减速和缓冲方案来完成,仅用一、二种手段是难以实现的;

2)火星探测器的弹道系数非常小,一般小于100kg/m2;

3)降落伞的开伞条件是开伞速度大,处于超声速状态下开伞,但大气密度低,开伞动压小,一般可采用弹伞筒直接弹伞和一次开伞技术;

4)为了减小火星探测器的弹道系数,火星探测进入器一般采用具有较大半锥角的球锥形比较合适;

5)火星大气中使用的降落伞结构设计,需采用伞衣上部透气量较小,并在伞衣底边附近增加一个较大的宽缝,以构成具有结构透气量的伞型,一般为盘-缝-带伞或改进的环帆伞;

6)火星探测器着陆缓冲系统一般需采取反推制动和吸能缓冲相结合的方案,才能确保着陆器的安全着陆。

[1]荣伟.火星探测器减速着陆技术研究[D].中国空间技术研究院,2008.

[2]Justus C G,Johnson D L.Mars Global Reference AtmosphericModel 2001Version(Mars-GR AM 2001):User Guide[R].NASA/TM-2001-210961,2001.

[3]王希季.航天器进入与返回技术(下)[M].北京:宇航出版社,1991.

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