如何科学地表演“铁锅炖自己”

原创 PC4f5X  2021-04-11 09:52 

来源:中科院地质地球所

NASA的火星2020任务,毅力号火星车,着陆已经有一个多月了,相关的科研任务正在开展,美国的科学家和工程师们也开始了对数据的初步分析。

出乎小编意料的是,最早一批科学数据产出,居然包含了毅力号“铁锅炖自己”的关键数据!

所谓“铁锅炖自己”中的“铁锅”,指的是毅力号的“隔热罩”;这口铁锅还有一个“锅盖”,就是毅力号的“背壳”。毅力号在进入火星大气层时,高速与大气层摩擦并压缩前方的空气,导致这口锅被加热到数千摄氏度,压力也远高于静压,活像一只高压锅。

进入火星大气层的过程非常凶险,全靠这口大锅保护火星着陆器,因此,其性能至关重要。如何评估这套隔热罩和背壳的效果呢?NASA工程师在这层壳子上安装了很多温度和压力的传感器,及其管理系统,统称为MEDLI2(The Mars Science Laboratory Entry Descent and Landing Instrument 2)。它记录了毅力号“铁锅炖自己”过程中,壳子各处的重要温压数据。4月1日,NASA在其官网上发布了工程师对这段数据的分析成果。

众所周知,毅力号火星车是好奇号火星车的亲兄弟,二者的设计基本一样。MEDLI2与好奇号火星车的MEDLI也是基本相同的。MEDLI主要用于测量着陆器进入火星大气层时的空气热环境、隔热罩浅表面的材料性能、大气层密度、以及帮助着陆器稳定方向。它会在着陆器进入火星大气前五个小时左右开机,一直工作到着陆器的超音速降落伞展开后约10秒,并在隔热罩分离前的几秒完全关机。

MEDLI2包含了三大类传感器,热电偶、热流计、压力传感器。这些传感器的数据经过预处理之后,会传输至毅力号火星车上暂存,等着陆成功,一切安全之后再回传地球。

铁锅的压力

压力传感器测量的是隔热罩上的压力,隔热罩是着陆器的迎风面,直观地想,隔热罩上的压力应该会和着陆器的迎风速度、火星大气层的密度正相关。

图中可见,随着时间的推移(着陆过程的推进),压力在不断降低,呈现近似指数下降的规律——与此同时,速度也是随时间降低的。在图线中的①段,着陆器进行了数次旋转机动,用于调整气动指向,导致压力发生波动。在图线中的②段,着陆器抛出了数个配重块,通过改变重心调整了自身的姿态,姿态的改变导致了表面压力的改变。到图线的③段,超音速降落伞打开,速度急剧降低,压力也随之急剧降低。不到10秒,MEDLI2关机,数据中断。

在这之后,毅力号火星车会先抛掉“铁锅”隔热罩,再抛掉“锅盖”背壳,然后靠反推火箭和天空吊车慢慢着陆。

铁锅的温度

毅力号与我国的天问一号设计不同,他是直接从火星的飞掠轨道降落到火星地面。因此,其进入火星大气层时的相对速度非常高,可以达到约5500米每秒,超过20倍火星声速,其降落过程可以说是非常“火花带闪电”。根据MEDLI2的测量,在隔热罩内,峰值温度达到了约1000℃,对应隔热罩外表面约1400℃。

这温度很高,而且会持续数分钟,一般来说,航天器再入大气层时,都会在隔热罩上覆盖厚厚的一层“烧蚀剂”来吸收和发散热量。可是火星探测器上,每一克质量的发射成本远超黄金,烧蚀剂带多了当然就是浪费。NASA的工程师于是在隔热罩里埋设了11个热电偶传感器(跟家里测量油锅温度的温度计是同类),一方面,增强温度测量的准确性;另一方面,如果某一个热电偶损坏了,说明那个位置的烧蚀剂用完了。

整个实验做下来,可以说是收获颇丰,也可以说是毫无收获——布置的11个热电偶一个都没坏,说明隔热罩非常充分。换句话说,隔热罩上的烧蚀剂的量“需要重新评估”。下一次美国人的火星探测器的隔热罩,可能会再轻盈一些。

帮助炖好下一锅火星探测器

最近几个月以来,各路自媒体和官媒,已经为大家反复科普了,为什么美国的火星车是直接着陆的,而我们的火星车要在轨道上先观察三个月再着陆。一言以蔽之——美国人经验丰富。哪怕是这么一个不够完美的隔热罩,也是他们几十年技术迭代的结晶。我们中国人第一次造访火星,当然必须慎之又慎,哪怕不得不牺牲火星车的部分性能。

经过数十年的技术总结,美国人已经能够相对好地预测着陆器进入火星大气层的过程中的温度和压力情况。在NASA发布的这条“铁锅炖自己”的新闻中,他们表示,峰值的压强与团队的预期相符。

MEDLI2的团队将会继续深入研究这短短一段数据大约六个月,用于增进NASA对火星大气层、对再入大气层过程的了解,以期能帮助后续的火星任务,甚至是未来前往土卫六(泰坦)的着陆任务。

一方面,越是深入了解火星再入过程中的气动特性,未来NASA的火星任务着陆点就能够越精确;另一方面,掌握了隔热罩和背壳的性能参数,这两件必要但却非核心部件就能做得更轻更高效。毕竟,从隔热罩里抠出1kg的质量来,探测器就能多带1kg的科学设备。

当然,如果不出意外,NASA是不会和我国的航天部门分享这方面的数据的。不过倒也不必着急,想必未来我国的经验也会越来越丰富的。

最近一段时间,毅力号火星车将会不断有新的进展,小编也还在持续关注。不过,我还是更期待几个月以后,天问一号的精彩表演!

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