登陆火星:挑战及对策

■ 杨孝文

图1 艺术概念图，展示了美国航空航天局的“海盗”号登陆器

图2 “好奇”号借助降落伞减缓降落速度

图3 太空起重机帮助“好奇”号着陆

美国航空航天局的“好奇”号火星车已在卡纳维拉尔角发射升空，预计2012年8月抵达红色星球——火星。这辆火星车重1吨，将成为在另一颗星球上登陆的体积最大同时也最为复杂的无人探测器。

只依靠当前的技术，任何体积或者重量超过“好奇”号的探测器都无法被送上火星表面。实施大型火星任务的主要障碍是火星稀薄的大气层，它只有地球大气层的1%。火星地表的大气压，仅相当于人在地球上空约30480米飞行时承受的大气压。

然而，面对这种挑战，科学家和工程师并非无能为力。近几年来，工程师已经提出了针对下一代火星登陆器的一系列想法。以下盘点的这些构想都可以将大型有效负荷——包括宇航员在内——安全送上火星表面。

着陆问题

在火星上着陆通常利用降落伞减缓降落速度。然而，由于火星大气较为稀薄，因此即使打开降落伞，降落速度仍旧很快。在地球上，跳伞运动员打开降落伞后降落时速可从约193千米降至不到16千米；而在火星上，跳伞运动员的降落速度可达到每小时1600千米，即使打开降落伞，时速仍可达到320千米。而“好奇”号降落时将打开一个约15米的超音速降落伞，这是在行星际任务中使用的体积最大的降落伞。此外，一个圆盘状的平台将点燃火箭，在距离地面七八米的高度盘旋，帮助“好奇”号减缓速度。

不幸的是，这项技术无法“放大”：一个40吨的载人登陆器在穿过火星大气层时使用的减速伞尺寸将相当于玫瑰碗体育场，因此需要很长的膨胀时间，在它完全打开前登陆器已经触地。美国航空航天局进入、降落和着陆技术部门负责人、工程师迈克尔·莱特表示：“当前的任何技术都无法让40吨的重物在火星表面安全着陆。我们必须研发新技术，战胜这一挑战。”

美国航空航天局开始研发充气式空气动力学减速器技术。与容易损坏的降落伞不同，这种减速器非常坚固，能够在足以撕裂降落伞的高速度下使用。

极超音速充气式空气动力学减速器可以折叠放入火箭，只要在进入火星大气层前充气，短短几秒内便可膨胀到约24米。这种减速器将采用凯夫拉尔纤维等轻型材料打造，非常坚固，能够经受住穿过大气层时的高温考验。

喷气推进实验室的工程师伊恩·克拉克表示，美国航空航天局计划在2012年年初测试这种技术。届时，工程师将把一颗热气球送入地球上层大气，然后释放一个直径4.57米的甜甜圈形物体。这个物体随后膨胀到约6米，模拟在火星环境下减速。克拉克认为，研制6米的极超音速充气式空气动力学减速器非常具有可行性，当前面临的一大挑战是充气后如何保持减速器的稳定性。在穿过火星大气层的过程中，即使微小的摇摆也会产生影响。工程师莱特表示：“越小越好。尺寸越大，摆动越强烈，让问题趋于复杂。”

进入火星大气层

在向火星表面降落过程中，大型登陆器可以借助超音速充气式空气动力学减速器（SIAD）减缓下落速度。曼宁说：“SIAD与降落伞差不多，但可以在更高的高度打开，同时速度更快，性能更高。此外，这种减速器也可以按比例放大。我们可以研制约30米，甚至更大的充气式减速器完成减速工作。”

由于质地坚固，这种减速器可以在登陆器以4倍或者5倍音速穿过火星大气层时充气，这一速度是降落伞无法承受的。SIAD可以利用巨大的表面积提高登陆器的阻力，进而减缓速度。与降落伞不同，SIAD并不是尾随在登陆器后面，而是像一个巨伞一样打开，罩在登陆器前面。

据工程师估计，载人火星任务需要的SIAD宽度为22米～48米。在登陆器穿过火星大气层的过程中，科学家必须考虑SIAD承受的高温，先进材料或者某种类型的隔热板可以帮助解决这个问题。但更大的障碍是，如何研制一个大尺寸并且可以快速打开的SIAD。美国航空航天局兰利研究中心的工程师尼尔·彻特伍德表示：“从某种程度上说，尺寸太大便无法立即膨胀。”对研制尺寸超过15米的SIAD，彻特伍德的态度并不乐观。他说：“如果派遣体积2倍或者3倍于‘好奇’号的登陆器，使用的SIAD将不具有可行性。”

超音速反推进火箭

最后一项可用于将更大有效负荷安全送上火星表面的技术是超音速反推进火箭，它利用火箭产生的反推进力减速。绝大多数火星登陆都使用反推进火箭，但都是在速度低于音速的情况下。让体积超过“好奇”号的登陆器安全降落火星表面，需要工程师研制出能够在登陆器超音速下落时点火的火箭。在存在大气的情况下，这显然是一种危险的做法。莱特说：“在这种速度下打开推进器会产生各种复杂的冲击波，进而影响到登陆器。”

目前，美国航空航天局并没有超音速反推进方面的经验，也没有太多数据可供参考，因此很难预测冲击波将对登陆器产生何种影响。过去的2年时间里，美国航空航天局在风洞内进行了一系列测试，观察超音速情况下点燃火箭产生的流场。但这一实验目前已被叫停。

这种叫停对未来的载人火星任务产生了不利影响。美国航空航天局的一项研究发现，载人火星任务必须使用超音速反推进技术；没有这项技术，让人类登陆这颗红色星球将成为一种不可能。当然，也有人认为可以采用另一种方式完成这项工作。彻特伍德就表示，可以借助充气式空气动力学减速器，之后利用降落伞让登陆器的速度降至亚音速，同时仍可以使用传统制动火箭。

图4 充气式空气动力学减速器

图5 超音速充气式空气动力学减速器

图6 超音速反推进火箭原型机在风洞内接受测试

图7 艺术概念图，展示了登上火星的宇航员

图8 宇航员在火星上漫步

人如何登陆火星？

曼宁说：“人类登陆火星需要携带大量物资，例如水、食物、氧气以及电力补给设施。”根据美国航空航天局的估计，将40吨～80吨的物资运到火星表面，也只能供宇航员维持1天；而当前一次的运送能力只有1吨，而且并不稳定。工程师布劳恩说：“我们不可能向火星派遣80艘飞船。”他指出，美国航空航天局需要研发低成本技术，将大型负荷送上火星。

人类何时登陆火星仍是一个未知数。根据美国航空航天局的一些计划，美国航空航天局决定在2032年进行载人登陆，火星样本采集等未来10年的其他大规模任务可能需要使用体积超过“好奇”号的登陆器。研发能够实现这些登陆的技术需要相当长的时间，如果想完成所设定的目标，美国航空航天局必须从现在起就开始研发。找到最理想的技术是美国航空航天局当前最紧迫的工作，美国航空航天局的工程师莱特说：“对于所有可能的技术，我们需要证明其是否具有可行性。如果得到验证，我们便进一步研究；如果答案是否定的，我们就要制订新计划。”