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中国湖上“演练”伞降火星

发布时间:2022-03-19 编辑:王某人 来源:奇趣网 阅读数: 当前位置:首页 > 奇闻趣事 手机阅读

狭小的屋子里充斥着浊热的气息。大约50人聚集于此,对着一面玻璃墙,看着屋外的沙漠。宁静偶尔被打破,那是因为某个人用手肘遮住口鼻发出了一声低沉的咳嗽,他腋下的暗斑也因此显露了出来。

  屋外的地面上停放着各式卡车和落满灰尘的小车,反射着耀眼的阳光。所有的车窗都被摇下,以免被即将袭来的强大力量打碎。

  在这里,美国加利福尼亚州莫哈韦沙漠中的“中国湖海军对空武器实验场”,一次高风险的测试即将开始。它将评估一项用于登陆火星的关键新技术,结果会决定火星探测的未来。

  中国湖上“演练”伞降火星
比例为1:7的缩小版火星降落伞正在进行风洞实验

  你可能还记得2012年8月美国航空航天局(NASA)的好奇号火星车穿过火星大气时经历的“恐怖七分钟”。着陆全过程中最为引人注目的,非天空起重机莫属。但事实上,等到这架盘旋在空中如同科幻一般的精巧装置将好奇号轻轻吊放到地面的时候,最让人揪心的时刻已经过去了。NASA喷气推进实验室(JPL)的伊恩·克拉克(Ian Clark)说:“每个人都注目天空起重机,但全过程中风险最大的其实是降落伞。”这么大尺寸的降落伞从未进行过测试。雪上加霜的是,好奇号又是有史以来最重的火星着陆器。

  如果我们想前往火星的其他角落,或是进行取样返回,乃至载人登陆之类任务,我们就必须重新思考在火星着陆的方式。这就是自冷战时期以来,NASA首次拨款1.89亿美元给克拉克及其伙伴,对火星着陆系统进行全方位改进的原因。在地球上进行测试,需要用到直升机、助推火箭和莫哈韦沙漠中的一架超音速滑车。实验成功与否,则要看华盛顿特区长官点不点头,以及夏威夷的天气给不给力了。这种严格的测试制度是必要的——在外太空失败,就意味着价值数十亿美元的行星探测任务的泡汤,你没有近路可抄。克拉克说:“可能出岔子的事情,远比你能想象到的多得多。”

  在火星安全着陆要比在地球上困难许多:火星大气对于让降落伞发挥作用来说过于稀薄了,除非是在最底层的10千米以内,而飞到这里的着陆器还在以每小时1600千米的高速不断坠落。作用在展开的尼龙伞盖上的力,是巨大的。托马索·里韦利尼(Tommaso Rivellini)说,“就像是爆炸开一样。”他设计过好奇号的天空起重机,之前也领导过为JPL的降落伞改进项目效力的团队。

  好奇号的着陆尤其令人紧张,因为此次所用的降落伞直径21.5米,要比之前最大的火星降落伞还要宽上5米。它能顺利绷开吗?会不会被撕成碎片?会不会拽着探测器打转呢?“你玩的是一个凭空放大的游戏,”克拉克说,“这真让每个人都紧张得要命。”

  假若任务控制官再给探测器加上1千克载荷,降落伞很可能就承受不住了。这要归结于里韦利尼所说的,由俄罗斯套娃类比而来的“套娃效应”。他非常喜欢这个比喻,事实上也真有一套俄罗斯套娃摆放在他JPL办公室的书架上。1千克的额外载荷——或者说,一点点分量很轻的设施——意味着你需要增设一个容器,或是改大已有的外壳来安放它们,这就又要增加3至4千克的分量。于是,你又需要一个更大的探测器来装下这些东西,还需要更多的燃料。这样,就像套娃要用更大的套娃来盛装一样,你的1千克载荷会翻许多倍。这规律偶尔也有例外——比如,可以将着陆安排在大气较为稠密的时候,这有助于探测器减速。但取样返回和载人任务则不可能例外,因为需要携带的额外燃料和货物实在太多了。

  问题还不只出在重量上。即使材料学取得的进步让我们能够在不增加重量的前提下带上更多设备,我们也只能着陆在低洼地区——这一部分约占火星表面的43%。因为缺乏足够厚的大气让探测器及时减速,高海拔地区被排除在外。然而,正是这些高海拔地区,可能揭示出有关火星早期历史的重大秘密,因为那里由更加古老的地层组成,受到水的侵蚀也较少。JPL降落伞项目总管马克·阿德勒(Mark Adler)说:“那里才是我们真正想去的地方。”

  中国湖上“演练”伞降火星
想去火星上海拔更高的地方,就必须对现有的降落伞进行改进。图片来源《新科学家》

  取旧立新

  面对这些局限,里韦利尼和克拉克意识到,重新构思整个降落过程是唯一的选择。从20世纪60年代以来,这件事就没有人再做过,理由很充分:之前引入新式降落伞的尝试,就是一部饱尝苦果的历史。例如,2003年,英国的小猎犬2号火星着陆器在最后时刻对降落伞加以改进,增大了50%的表面积,因为计算结果显示着陆会过于猛烈。新式降落伞被认为是导致小猎犬2号失败坠毁的可能原因之一。

  不幸的是,对降落伞进行完整的测试所需的费用可以说是天文数字。“降落伞本身只是尼龙布——也就一二十万美元,”克拉克说,“钱主要花在测试上。”风洞测试会比较便宜,但这么大的风洞全世界也找不出来。任务规划者不乐意再给他们的项目增添必要的拨款。里韦利尼和克拉克进退两难。

  等到2010年,一切都不同了。在美国总统奥巴马的监督下,新的资金被成功用在了基础技术的研发上,这要归功于“首要技术办公室”(Office of the Chief Technology)自从21世纪初关闭以来的再次开张。2011年,降落伞研发团队获得了1.89亿美元,用于项目的继续推进。

  但是,要怎样对一个已使用40年之久的系统进行重新设计呢?在着手研制天空起重机之前,里韦利尼曾仔细研究过能让好奇号安全落地的各种其他方案,比如用一个玻璃钢制成的四面体外壳,或是他设计的、让“火星探路者”在1997年成功着陆的一个葡萄串式样的弹性气囊。但这些方案,对于设计更大的降落伞来承载更重的设备,都没有任何帮助。把现有的降落伞简单改大是不可取的,因为伞的面积被下落速度所限制,超过一定范围就会在开伞时被爆炸般的阻力撕裂。

  好在,克拉克是上世纪60年代便被束之高阁的一项着陆技术的顶尖权威专家。他从破破烂烂的技术报告和有关降落伞测试的粗颗粒录像胶卷中重新找到了它:一个在主降落伞开启前展开的可膨胀扁平减速装置。“道理就和你坐在行驶的车里,把手臂平直伸出窗外一样,”克拉克说。这种减速器的原型曾在上世纪60年代进行过测试,但从未真正飞过。

  就这样,克拉克、里韦利尼和他们的团队用这个冷战时期留下来的点子,制造了“超音速可膨胀气动减速器”(SIAD)。它本质上是一个用布料织成的轮圈,直径6米,可以弥合防热底和降落伞两段减速过程之间的落差。克拉克的计算结果显示,紧贴着防热底下部打开的SIAD能将速度减到足够慢,从而让一个直径为30.5米的新式大降落伞得以安全打开。到2012年10月,它已经准备好,跃跃欲试了。

  中国湖上“演练”伞降火星
可膨胀减速器展开后,能使着陆器减速到足够慢,这样一来就可以打开更大的降落伞。图片来源:《新科学家》

  测试工作在中国湖开始。一个头戴白色牛仔帽式样防护帽的人,正对固定在机动钢架顶上的减速器进行最后检查。整套装置与火箭滑车固定在一起,放置在名为“超音速海军军械研究轨道”(SNORT)的导轨上。火箭滑车活像是一架二战时期轰炸机的无翼机身部分,机头上还画有鲨鱼的尖牙利嘴。滑车只能在地面导轨范围内移动,平时用来测试超音速条件下飞机的弹射座椅,导弹的撞击以及装甲车辆的穿透性。捆绑在装置背面的火箭发动机可将滑车加速到8.5马赫,使其成为陆地上速度最快的车辆之一。

  因为这项测试产生的强大冲力,安全的观看地点仅有一处,位于半公里外的一堵钢化玻璃墙后面。“假如你站在外面,火箭推力产生的风压会从你的骨头上撕下一大块肉来,”阿德勒说,“我想,你的遗骸会散落在好大一片地方。”

  虽然SNORT无法达到火星降落时的速度,呼啸而来迎击减速器表面的空气却会产生比火星上大得多的力量。克拉克说:“和火星大气的气动力学不同,地球上的大气要稠密许多。”他担心减速器会失败,因为他不得不对上世纪60年代的原始设计做出几处改进。那个时候,研究者对火星大气的特性所知寥寥,只好假定它和地球大气相似。这个错误的认知导致的后果在减速器进行展开实验时显现出来,录像显示它像水母一样绽开和翻滚,这正是克拉克今天要极力避免看到的情况。倘若减速器在火星下降过程中以这样的非平衡方式展开,探测器就将陷入自旋和失控状态。克拉克说:“我们释放它的时候,它必须一次展开到位,像一块金属那样定型才行。”

  检验成果的时刻到了。火箭滑车四周一片寂静,只有枯黄的沙地灌木丛在微风中摇曳着枝条。在观察室里,克拉克屏息凝神注视着首席操作员按下按钮。刹那间,一道50米长的烈焰从SNORT背后的6台火箭发动机中呼啸喷出。1秒钟后,雷鸣般的冲击波就席卷了观察室,把钢化玻璃震得咔咔作响,留下一片警报器嗡嗡乱响的车子和因此满腹牢骚的人群。

  与此同时,这个轰轰作响的喷火怪物加速到每小时400千米,在离导轨终点还有很远的地方,减速器像只牛蛙的大嘴一样张开,以吸收迎面扑来的冲击波,这个过程只有几分之一秒。

  中国湖上“演练”伞降火星
可膨胀减速器在高速状态下进行测试。图片来源:《新科学家》

  人群涌向摇摇晃晃的楼梯。工程师很想马上去检查减速器,但这段轨道必须在火箭毒气散尽之前保持关闭。在此之前,唯一能做的就只有呆在昏暗的观察室里。在那里,一排排显示器和工作站正播放着摄像机捕捉到的现场画面。

  为了理解减速器的工作过程,工程师动用了一种名为“摄影测量法”的技术。这种方法是用手工模板在减速器的织物表面上仔仔细细地点上千百个排列规整的黑色点,再用摄像机去跟踪它们。克拉克、阿德勒和里韦利尼弯腰盯着同一块屏幕,观看用慢镜头播放的减速器展开画面,不断地暂停、回放、再暂停、再回放,不放过任何一点可能造成探测器失控的危险形变。

  终于,克拉克的脸上露出笑容,实验成功了。“偏差的数量级在厘米级别,”他在电话里说。这表明减速器确实像一块钢一样撑满了。隔壁屋子里,里韦利尼正在交待某人取消原定的备份测试。

  总算到了庆功的时刻,但下一阶段的测试还得再赌上一把。下面将要测试新式的30.5米直径降落伞,它比好奇号的降落伞还要宽上9米,面积大上一倍。

  就在这个10月,JPL的团队将回到中国湖,首次使用一架直升机将降落伞带到3000英尺的空中。降落伞通过一根由加强版的凯夫拉材料制成的系绳与SNORT相连,SNORT的火箭点火时将会产生560千牛的拉力,将降落伞拽回地面。如果降落伞和系绳的释放时间以及火箭点火的时间没有精确安排好的话,冲击波很可能扰乱直升机旋翼的运转,导致机毁人亡。

  希望之地

  到2014年,所有部分将会组装起来,在地球上最接近火星条件的地方做一次总测试。6月,减速器和降落伞的组合体将在打包之后用气球送到位于夏威夷考艾岛的太平洋导弹靶场上空的平流层中。夏威夷地区的夏天总刮着西风,这可以避免火箭和降落伞飘落到有人居住的地方。

  中国湖上“演练”伞降火星
未来的火星着陆探测器,将采用新式的减速器和更大的降落伞。这套降落流程,也将为人类前往火星,铺平道路。图片来源:《新科学家》

  如果一切顺利,一台Star 48火箭发动机——将“火星探路者”和“凤凰号”送往火星的第3级火箭发动机——将会在36600米的高空点火,把整个装置再往上托举12000米。这一海拔高度附近的空气与火星大气的密度接近。在火箭发动机的水平牵引下,减速器和降落伞将以4马赫的高速平飞,并依次展开。

  这一切真的值1.89亿美元吗?毕竟,这个价目看起来不低。阿德勒将这看作是必要的长线投资。他认为,上世纪六七十年代进行的第一轮降落伞测试,为美国随后40年的火星探测奠定了基础。“我们的项目也会留下同样丰厚的遗产吧。”

  对阿德勒和JPL的其他同仁而言,NASA对该项目的支持象征着航天局内正在复苏的活力:是时候再去畅想一下了。这也意味着,火星取样返回和载人登陆任务,终有一天会提上台面来。

  回到中国湖这里,现在是将减速器打包收好,准备接受下一轮考验的时间了。技术人员把它从仍在冒烟的火箭残骸上分开,再借助吊车和缆绳将它缓缓从装置上吊放下来。克拉克、里韦利尼和阿德勒像紧张的母鸡那样端详着他们的造物。美国未来的火星探测,可就指望你了,小家伙!

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