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载人登火星难度高,科学家找出燃效最高的飞行路线

发布时间:2019-02-21 10:20:29  作者:漫步宇宙  来源:漫步宇宙  阅读:186

      为了让搭载宇航员的重型飞船顺利登陆火星,工程师需要找到新的着陆方式。根据宇航工程师克里斯托弗·洛伦兹和扎克·普特南进行的研究,燃效最高的飞行路线是几乎垂直冲进火星大气层。随后,飞船可以抬升高度,在大气最为浓密的低空飞行,以便产生最大的阻力。利用这种简单的物理手段减速,任务规划人员可以节省燃料,让飞船携带更多科学仪器。
    载人登火星难度高,科学家找出燃效最高的飞行路线
      载人火星飞船艺术概念图
      人类的火星探索计划愈发雄心勃勃。随着探索计划的推进,未来会将体积更大的飞船送上火星。迄今为止,美国宇航局的机器人探索任务全部采用降落伞、气囊、太空起重机和减速火箭。为了让载人飞船顺利登陆火星,工程师需要寻找新的着陆方式。
      目前,进入火星大气层前,飞船的速度可达到30马赫。进入过程中,绝大多数飞船利用降落伞减速。一旦飞船的速度降至只有音速的几倍,工程师可以选择一系列方式,让飞船平稳着陆。不过,由于缺乏很好的扩展性,降落伞并不适合大型飞船。这促使宇航工程师克里斯托弗·洛伦兹和扎克·普特南探索其它方式。在2018年12月31日发表于《航天器与火箭杂志》的论文中,他们阐述了研究发现。
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      “好奇”号自拍照
      在迄今为止登陆火星的所有探测器中,“好奇”号的重量最大,达到2200磅(约合1吨)左右。未来的载人火星飞船重量更大,可达到5到20吨。这需要飞船使用制动火箭减速,SpaceX和“蓝色起源”的助推器便采用这种方式着陆。不过,这会耗费大量燃料,再加上发射时耗费的燃料,所需携带的燃料量将是一个惊人数字。
      此外,携带大量燃料还会占用宝贵的空间。如果无需携带大量燃料,这些空间可以搭载人类探险家或者贵重的科学仪器和补给。为此,任务规划人员必须善加利用燃料,同时确保飞船以安全速度在安全地点着陆。
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      火星极地着陆器,用于收集火星南极的气候数据
      普特南在一份新闻稿中表示:“飞船携带一定数量的推进剂,你需要合理选择制动火箭的点火方式。你可以让飞船精准着陆,也可以忽略精确度,耗光全部燃料,以便让体积最大的飞船着陆,又或者在二者之间寻求平衡。”
      在飞船以极超音速移动时,工程师可以操控飞船。航天飞机虽然有“飞砖”的恶名,但也可以操控。通过调整行进中的飞船角度或者打破平衡,飞船可以获得升力,转向给定的方向。即便在火星的稀薄大气层,工程师也能进行这种操控。(飞机无需使用发动机,便可转向。如果飞机降低一个机翼,便会因升力实现转向。)
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      11月26日,“洞察”号着陆器将登陆火星
      这意味着任务规划人员可以在制动火箭点火、耗费宝贵的燃料前操控载人飞船。如能精确选择制动火箭点火时的飞船高度和角度,他们可以节省燃料。这允许飞船在不耗费燃料进行转向的情况下进一步靠近预定着陆地,同时将飞船减速耗费的燃料降至最少。
      在考虑多种想定后,洛伦兹和普特南认为燃效最高的飞行路线是几乎垂直冲进火星大气层。随后,飞船可以抬升高度,在大气最为浓密的低空飞行,以便产生最大的阻力。利用这种简单的物理手段减速,规划人员可以节省燃料,让未来的火星飞船携带更多科学仪器。

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