怎么让行星降落？

点击联系发帖人 时间：2022-07-09 11:41

你像一个漩涡让我降落

这是一个超音速降落伞的问题。以好奇号（火星科学实验室MSL）为例，进入火星大气层的初速度大约是每小时1.8万km，此时高度大约是120km，而经历了2100度高温和剧烈减速阶段后，直到11km高度才打开降落伞，此时MSL着陆器的速度已经降低到每小时2000km，即每秒550米。火星和地球相比大气稀薄的多，密度比地球大气低1-2个数量级，火星大气这个高度上的声速是240米/秒，也就是说开伞速度远超声速，大约是2.3马赫。

我们知道，物体在流体中受到的阻力与空气密度、运动方向的投影面积A、速度的平方、阻力系数成正比：

但遗憾的是，在超音速情况下阻力系数不再是常数。

下图模拟了前体（探测器）和一个降落伞在 1.5马赫流体中的运动情况。左侧为压力场，右侧为速度场。超声速运动的前体（探测器）会在两侧形成锥形的激波，后侧形成尾流。

高速尾流进入到降落伞的伞盖中，流速降低，形成高压区，进而形成从伞盖到探测器的反向气流（右图蓝色区域）。

反向气流会完全破坏探测器的锥形激波，在探测器后方形成高压区，并且降低了降落伞附近区域的流速。此时伞盖内部的压力降低，内外压差变小

随着降落伞收缩，反向气流也随之消失，前体（探测器）周围的锥形激波和尾留得以重新建立，降落伞重新打开……于是又回到了第一张图。

因此降落伞在超声速的时候是非常不稳定的，如上所示的这种振荡现象大大降低了降落伞的阻力系数。

上图：不同形状的降落伞在不同马赫数（横轴）下的阻力系数（纵轴）。

盘-缝-带（DGB）构型的降落伞经过了大量检验，已经被证明具有较好的超音速特性，需要在3马赫以下的速度展开。近年来的几个火星探测器（好奇号、勇气-机遇号、火星探路者号）均采用了这种构型，实际都是在1.7-2.3马赫左右的速度下展开的。此时探测器的动能相比初入大气层时已经削减了99%。

虽然土卫六的大气比火星和地球都要浓密的多，但是惠更斯号着陆器的降落伞也采用了DGB构型，并在1.7马赫下成功展开。上图是1993年在美国田纳西州的阿诺德空军基地进行风洞试验的照片。

前不久（2017年10月4日），NASA为2020年的火星任务进行了第一轮降落伞测试，由一枚火箭将载荷送到51km的高度，载荷在下落到 42km时以1.8马赫的速度释放降落伞，降落伞在半秒内成功打开，产生了3.5万磅（1.6万公斤）的阻力。高速相机拍下了这面超音速降落伞的展开过程。

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央广网北京5月15日消息据中央广播电视总台中国之声《新闻超链接》报道，我国首个火星探测器“天问一号”成功降落在火星北半球的乌托邦平原，实现了我国首次地外行星着陆，成为中国航天事业发展中又一具有重大意义的里程碑。

“天问一号”火星之旅的“落火过程”是怎样实现的？降落地点是如何选择的？“祝融号”火星车将进行哪些任务？对此，中国航天科工二院研究员、国际宇航联合会空间运输委员会副主席杨宇光为大家讲解和“天问一号”相关的知识。

“天问一号”着陆火星经历了哪些阶段？

“天问一号”的着陆过程主要围绕着两件事：巡视器的着陆和环绕器的返回。

据报道，15日凌晨1点左右，“天问一号”探测器在停泊轨道实施降轨，机动至火星进入轨道。4点，着陆巡视器与环绕器分离，历经约3小时飞行后，进入火星大气，经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲，成功软着陆于预选着陆区。两器分离约30分钟后，环绕器进行升轨，返回停泊轨道，为着陆巡视器提供中继通信。

由于火星与地球之间的距离遥远，通信时延单程达到17分钟左右，因此在探测器着陆的9分钟中，它必须完全依赖于预设的计算机程序，高度自动化地完成整个过程。这样一个过程被业内称作“黑色9分钟”。

“黑色9分钟”中的减速环节最让杨宇光紧张。据他介绍，“天问一号”有三种减速手段：一是靠防热盾利用火星大气层的摩擦来进行减速；二是用超音速降落伞降低速度；三是启用反推发动机让探测器缓慢地着落。这三种手段之间的切换非常关键，必须通过智能化的判断来进行无缝衔接。此前，欧洲“夏帕雷利号”着陆失败便是由于降落过程中减速手段的切换出现失误。

为何选择乌托邦平原作为着陆点？

探测器着陆点的选择主要是从科学价值和工程限制两方面进行考量的。

从科学角度来说，乌托邦平原南部地区可能是古海洋和古陆地的交界地带，该区域留有生命存在的迹象可能性更大，其具有较高的探索价值。

从技术方面来说，由于乌托邦平原的地势较低，留给探测器着陆的时间会更长，探测器在着陆减速环节的操作会更加从容。

“祝融号”火星车将开展哪些任务？

“祝融号”火星车以中国神话传说中的火神命名，它将依次开展对着陆点全局成像、自检驶离着陆平台并开展巡视探测。

据杨宇光介绍，“祝融号”携带多种科学设备，如多光谱相机、火星表面磁场探测仪、火星表面成分探测仪、火星次表层雷达、气温气压测量探头和风场声音测量探头。

这些设备致力于为科学家提供丰富的信息，帮助大家全方位了解火星。如火星次表层雷达可探测到地表下100米的区域，能为科学家判断火星是否存在地下水，以此来探寻火星上是否有存在生命迹象的可能。而气温气压测量探头和风场声音测量探头能够测量火星表面的温度、风速、风向等，提供丰富的气象信息。

在世界上各国四十多次的火星探测任务中，仅有两个国家的探测器成功着陆火星，而中国正是其中之一。这背后是无数中国科学家的付出与汗水。仰望头顶星空，中国的探索永不止息。

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科学家们在分析了美国宇航局的OSIRIS-REx航天器在2020年10月从小行星Bennu收集样本时收集的数据后，了解到了一些惊人的情况。如果不是航天器在从贝努表面抓取灰尘和岩石样本后立即启动推进器离开，航天器将沉入小行星。

事实证明，构成贝努外表的颗粒非常松散，相互之间的结合也很轻，如果一个人踏上这颗小行星，他们会感到阻力非常小。这就像踏入一个由塑料球组成的坑，这些塑料球是孩子们喜欢的游戏场所。

关于贝努表面的最新发现于2022年7月7日发表在《科学》和《科学进展》杂志上，这两篇论文分别由设在图森亚利桑那大学的OSIRIS-REx首席研究员Dante Lauretta和Kevin Walsh领导。这些令人惊讶的结果增加了科学家们在整个OSIRIS-REx任务中的好奇心，因为贝努被证明一直是不可预测的。

这颗小行星带来的第一个惊喜是在2018年12月，当美国宇航局的航天器抵达贝努时。OSIRIS-REx团队发现了一个遍布巨石的粗糙表面，而不是他们根据地球和天基望远镜的观测所预期的光滑的沙滩。研究人员还发现，贝努正在从其表面向太空喷射岩石颗粒。

在OSIRIS-REx航天器采集了一个样本并向地球传送了这颗小行星表面令人震惊的特写图像之后，最新的线索表明贝努并不像它看起来那样。研究人员看到的是一堵巨大的碎石墙，从采样点向外喷射碎石。

近地小行星贝努是太阳系形成过程中留下的岩石和巨石的碎石堆。2020年10月20日，美国宇航局的OSIRIS-REx航天器在贝努上短暂着陆，并收集了一个样本返回地球。在这一事件中，航天器的机械臂沉入小行星的深度远远超过预期，证实了贝努的表面是松散的。现在，科学家们利用OSIRIS-REx的数据重新审视了样品采集事件，并更好地了解贝努松散的上层是如何被固定在一起的。

鉴于航天器轻轻地敲击表面，任务科学家们对散落的大量鹅卵石感到困惑不已。更加奇怪的是，航天器留下了一个26英尺（8米）宽的大坑。任务小组决定让航天器重新起飞，对贝努的表面拍摄更多的照片。

研究人员分析了航天器在采样点降落前后图像中可见的碎片量。他们还查看了在航天器着陆时收集的加速度数据。这些数据显示，当OSIRIS-REx接触到小行星时，它所经历的阻力非常小，与一个人在挤压法式壶的活塞时感受到的阻力相同，当航天器启动推进器离开表面时，它仍然在坠入小行星。

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