火星重量級太空船新著陸技術願景,納入升力原理

作者 | 發布日期 2019 年 02 月 15 日 14:45 | 分類 天文 , 尖端科技 , 航太科技 follow us in feedly

人類探索火星的計畫與規模越來越宏偉,降落在火星地表的太空船船體也越來越大,傳統軟著陸技術已逐漸無法負荷。科學家最近探討了一種結合升力原理的新著陸策略,透過升力作用讓高速下降的太空船於大氣層多停留一段時間達到減速目的,減少推進器燃燒時需攜帶的燃料量,以釋出更多空間給其餘有效載荷。



當太空飛行器(載人飛船、衛星、太空梭等)從太空返回地球時,大氣層如一個天然的強力剎車系統,在將動能轉為熱能的過程中,把飛行器的速度從極音速(hypersonic)減到超音速。同理,火星任務也是如此,只不過火星大氣層比地球大氣層還要稀薄百倍,所以它的剎車效果差很多。

科學家已有各種軟著陸減速方法,比如改變軌道利用大氣層摩擦阻力逐步減速,或藉由減速降落傘(parachute)、空中起重機(sky crane)、減速火箭(推進器點火反向推進,抵銷降落速度)等裝置。一般來說,每種太空飛行器都會採取多道減速方式來達到軟著陸目的。

目前,衝入火星並安全著地的著陸器最高速度可達 30 馬赫(35,812 公里 / 時),最終階段再靠降落傘、火箭讓垂直速度降到最小,使著陸器安然停在地表。

以 NASA 洞察號為例,探測器最初以時速 19,800 公里的速度進入大氣層,藉大氣阻力逐漸讓探測器速度降至約時速 1,350 公里,最後離地約 16 公里時隔熱罩彈開,換打開降落傘緩衝;離地 2 公里時,降落傘脫落,著陸器底部 12 個火箭助推器點火抵消降落速度,然後穩穩停在火星表面。

但是,這些方法只適用於「目前」較輕的著陸器,等以後發射較重的載人飛船任務,火星大氣根本來不及幫飛船減速。來自伊利諾大學厄巴納-香檳分校的科學家們,最近試著探討未來有效載荷範圍介於 5~20 噸的重量級任務,該採取哪些著陸技術。

航太工程系助理教授 Zach Putnam 指出,應依靠火箭來替著陸器降速至 3 馬赫(3,581 公里 / 時),然而這又代表要攜帶更多燃料,可能會占用其他科學載荷的空間。為了減少燃料負荷,團隊希望製造一個具有偏移重心與保護著陸器的減速傘殼(aeroshell),在進入大氣層後可以產生升力並轉向,《New Atlas》報導指出,這與阿波羅指揮艙(Command Module,CM)當時進入地球大氣層的原理相同。

該技術關鍵在於引擎點燃時的高度、切入大氣層的角度等,必須在恰當時刻切換,使太空船在大氣密度較高的地方升起、停留更多時間飛行,藉大氣阻力降速。新論文發表在《Spacecraft and Rockets》期刊。

(首圖來源:伊利諾大學厄巴納-香檳分校