气凝胶航天应用案例:充气式减速器

为了实现载人火星登陆计划,NASA正在开发重载荷运输技术超音速充气式气动减速器(HIAD)是一项可为航天器制动提供有效载荷和体积效益的解决方案。

2006年,NASA成立了一项名为“先进大气层充气式减速器”(Advance Inflatable Decelerators for Atmospheric Entry,PAIDAE)的项目,并研制了由外层、绝热层、气密层组成的,直径为3~12 m的HIAD。

 

气凝胶航天应用案例:充气式减速器

气凝胶航天应用案例:充气式减速器

气凝胶航天应用案例:充气式减速器

美国国家航空航天局(NASA)在2011年在太空技术项目(STP)中设置了低密度超声速减速器(LDSD)技术验证任务,以提高超声速段减速性能,掌握新的大质量火星软着陆减速技术和能力,提高未来火星任务中着陆载荷质量、着陆地点高度和着陆精度。该技术也是NASA在火星进入、下降与着陆技术领域正在开发验证的技术之一。

LDSD由超声速充气式气动减速器(SIAD)和大型超声速环帆伞构成。充气式气动结构减速器在发射和飞行过程中保持在未充气状态,而在进入气动减速前利用气体发生器快速对充气结构进行充气,使其迅速膨胀,从而增大阻力面积,实现减速的目标。为进行超声速飞行气动试验技术验证,NASA分别验证直径6m的圆环型SIAD-R减速器和直径8m的等张力面型SIAD-E减速器。

两种减速器的构型和尺寸虽然存在一定差异,其原理均是通过充气膨胀增加着陆飞行器的气动阻力,对超声速(马赫数为3.5以上)飞行的着陆器进行气动减速,最终使飞行速度下降至约2马赫数,达到降落伞安全展开的条件。

 

NASA曾对低密度条件下超声速降落伞进行对比分析,研究对象包括环帆伞、十字形伞、盘缝带伞等。其中单个、不收口的盘缝带伞不仅能够适应火星大气稀薄的环境以及超声速开伞的条件,且其结构相对简单,一直被用作美国火星探测减速着陆系统的气动减速装置。2012年好奇号在火星表面着陆时采用的降落伞直径为21.5m,开伞速度马赫数为1.77,已经达到了盘缝带降落伞的尺寸极限。

然而美国的载人飞船着陆系统与火星着陆器不同,采用尺寸更大的环帆伞。与盘缝带降落伞相比,环帆伞的开伞冲击载荷较小、稳定性好,具有相当高的可靠性。

美国喷气推进实验室综合考虑减速效率、稳定性和超声速环境下的开伞效果等因素,最终决定采用超声速环帆伞,其开伞速度可达2马赫数,面积几乎是好奇号所用的盘缝带伞的2倍。

 

美国国家航空航天局(NASA)在2014年和2015年分别对低密度超声速减速器(LDSD)进行了2次试验。低密度超声速减速器(LDSD)由巨大的气球送到120000英尺(36576米)的高空以模拟火星大气环境,当到达预定海拔高度后,气球破裂,飞行器底部的发动机启动以推动其向高空运动。在到达180000英尺(54864米)高空后,超音速充气气动减速器开始膨胀,飞行器体积变大。通过增加飞船的总体体积,超音速充气气动减速器可帮助其从4184公里/时的速度降低至2414公里/时,之后降落伞打开进一步帮助飞行器减速。

气凝胶航天应用案例:充气式减速器-1

NASA原本计划进行3次飞行试验,但在第一次和第二次试验中降落伞都在打开过程中失败了。由于需要将资金重新分配给维修卫星的计划,美国国家航空航天局在2016年初将低密度超声速减速器(LDSD)的资金削减了85%,直接导致项目在计划的第三次测试之前暂停。

2017年10月14日,美国国家航空航天局(NASA)再次测试了低密度超声速减速器(LDSD)的降落伞。这次降落伞安装在Black Brant IX亚轨道探测火箭上,在升空后降落伞成功打开。

未来,通过LDSD技术发展的减速器并采用4~5个伞组成的多伞系统,火星表面软着陆质量最高可达15t。新型减速器减速效果优于传统方案,可减少火星着陆器气动减速的飞行距离,因此可在海拔高度更高的火星表面着陆,着陆点的海拔高度可增加2000~3000m,从而大幅增加火星表面可探测区域。

总结

美国国家航空航天局(NASA)主导的低密度超声速减速器(LDSD)技术很可能成为未来登陆火星的关键技术,人类也将进一步拓展空间探索领域。我国在减速技术方面同样掌握了先进技术,中国航天科技集团五院508所研究的新型充气式再入减速技术(IRDT)测试成功,证明我国具有深空探测器安全着陆的能力。

相关产品

微信