是如何科学地表演“铁锅炖他的”

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来源:中国科学院地质与地球研究所

自从美国宇航局的火星2020任务——火星漫游者“坚忍号”着陆以来,已经一个多月了,相关的科学研究任务正在进行。美国的科学家和工程师也开始对数据进行初步分析。

令边肖惊讶的是,第一批科学数据输出竟然包含了“锲而不舍”的关键数据“铁锅炖肉”!

所谓“铁锅焖自己”中的“铁锅”,指的是毅力的“隔热板”;这个铁锅还有一个“锅盖”,是恒心的“后壳”。毅力号进入火星大气层时,高速摩擦大气层,压缩了面前的空气,导致锅被加热到几千摄氏度,压力比静压高很多,就像高压锅一样。

从上到下:毅力号(火星2020任务)的巡航级、背壳、下降级、毅力号火星车和隔热罩

进入火星大气层的过程非常危险,而且要靠这个大锅来保护火星着陆器,所以它的性能很重要。如何评价这种隔热板和背壳的效果?NASA工程师在这个外壳上安装了许多温度和压力传感器及其管理系统,统称为Medli2(火星科学实验室入口下降和着陆仪器2)。它记录了“铁锅焖自己”过程中壳体的重要温度和压力数据。4月1日,NASA在其官方网站上发布了工程师对这些数据的分析结果。

毅力号火星车隔热大底及其上安装的MEDLI2。紫铜色线路是MEDLI2的布线,线路连接了控制器盒与各传感器

众所周知,恒心火星车是好奇号火星车的兄弟,两者的设计基本相同。MEDLI2和好奇号火星车的MEDLI基本一样。MEDLI主要用于测量着陆器进入火星大气时的空气热环境、隔热板浅表面的材料特性、大气密度,帮助着陆器稳定方向。它会在着陆器进入火星大气层前约5小时开启,工作到着陆器超音速降落伞展开后约10秒,在隔热板分离前几秒完全关闭。

刚刚分离的隔热罩,与安装在其上的MEDLI2。图片为毅力号火星车着陆过程中实际拍摄

MEDLI2包含三种传感器,热电偶、热流计和压力传感器。经过预处理后,这些传感器的数据将被传输到毅力火星进行临时存储。当着陆成功时,一切都会好的

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!