【博評】William:由近代火星登陸漫談行星降落方法

2021-05-15 03:05:30 最後更新日期:2021-05-18 14:30:31
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

 

 FB IMG 1621052747720祝融號火星探測車CG圖,以及經由天問一號軌道器觀測所選兩個候選降落的地方,均位於烏托邦平原南部。留意其中一個隕石坑中的波紋。有研究指出這些隕石坑中一些長年照不到陽光的地方,可能存在水冰。(網絡圖片)

2020年度「火星衝」下的「大賽跑」,最終以中國的祝融火星車成功降落火星作為謝幕。祝融火星車的目的地是火星上的烏托邦平原。該平原其實是太陽系至現時為止最大的撞擊坑,直徑達3,300公里(火星直徑的一半!),撞擊大約40億年前在火星形成早期、大氣層仍然很厚時發生,而且就現有理論而言,被認為是火星環境環境惡化至此的關鍵元兇之一;另一方面,火星北部也被認為泥土下水份較多的地區,其實亦是值得探測的好地方。但講到要如何探測,當然是要實地近距離觀測並採樣,才有意義了。今次就講講各類行星降落這種技術。

 1024px Orbital trajectory of Tianwen 1 around Mars「天問一號」入軌程序,2月「追上」火星時先啟動火箭引擎減速,令自身被火星引力捕捉,然後經過三次軌道調整,進入近火點265公里的軌道上。(網頁圖片)

 

天文物理學上,每個星體都有其逃逸速度(或稱第二宇宙速度),若接近該星球的物體的降低速度至該星體的逃逸速度以下,就會被該星體的引力場捕捉而環繞其公轉,若速度再進一步降低至該星體的環繞速度(第一宇宙速度)以下,則這個物體與該星體中心的距離就逐步縮短。在該星體有固定表面的情況下,物體最終會撞上該星體的表面,簡單地可以視為登陸 / 硬著陸。若要該物體以軟著陸形式換觸星球表面,那就需要對物體的減速作精確的調控,讓物體與星體表面的相對速度減低,這種減速過程其實就是人類行星著陸器運作的意義所在。

Q11A167P彗星探測器羅塞塔號的菲萊登陸器,是航天史上低重力星體著陸器的代表作,其著陸架有可彈開的魚叉,能夠增加抓地能力,防止登陸器因為低重力而彈離星體表面。不過很不幸的是,該登陸器在登陸67P彗星時還是彈了一下,到第二次著陸時才能抓實,但卻給卡在彗星上一塊大石的底下,嚴重影響太陽能電池的充電,任務成果也大打折扣。(圖片來自ESA)

 

太陽系內星體登陸任務,可說是最直接而有效的近距觀測手段,在沒有大氣層的行星 / 小行星或者衛星降落,其實就相對簡單;重力不足的話,基本上就是減速並調整到和小行星相約的軌道,之後調整軌道逐漸靠近目標星表面,直至接觸地面為止。這過程倒有點像和太空站對接,只是著陸時要考究如何固定在小行星表面、不致彈開而已;至於降落在有引力而沒有大氣層的星體也比較簡單,基本上就是登陸器減速後被星體引力所捕捉,由於星體沒有大氣,降落器可以飛至相當接近地面的高度,然後再以減速引擎反推著地,例如月球登陸就是。

 d37988be2057c6028c35f7732bec2134已完成再入程序並拉回廠修理重用的載人龍飛船,主要更換部份是底部的熱盾與外表被高溫等離子體燒蝕的蒙皮。(Youtube 擷圖)

 

當然,若果要降落的星體表面是有空氣的話,那就另一回事了。星體的大氣層一方面是非常優秀的減速劑,空氣阻力可令著陸器的速度減幅明顯,但另方面空氣阻力所造成的加熱效果,又可以令物體過熱而發生熱失控並墜毀,所以著陸器在有大氣層的星球降落,會首先使用熱盾,利用熱盾上物質的燒蝕效應在減速過程中帶走熱能,防止被燒毀,至一定速度及高度即可打開超音速降落傘,以進一步減低速度。只是基於不同目標星球的大氣層狀況及增加效率,這種行星降落方法可以再細分為以下五種:

金星14號降落過程動畫。由於金星大氣密度非常大,達地表的90倍,鈦合造打造的減速板已有相當於大型降傘的減速效果,探測器著陸時速度其實相當慢。關於金星系列著陸器的詳細內容,可參考小弟之前的作品。(連結)

 

熱盾-降傘-直接空降:

這是降落在極濃厚大氣層的著陸器的降落方法,直至目前為止仍只用在金星的著陸上,且仍是美國目前為止仍未有掌握的降落技術。蘇聯航天部門在過去的金星大氣控測任務中留意到金星地表溫度極高,一般降傘根本不可能存活,而且由於金星大氣在50公里以下的氣壓就高於地球表面,至金星表面更達90倍左右,本身就有很好的緩衝及減速效果。

 851b63d右邊的金星14號著陸器的工程樣機實物,它是被裝在更後方金星14號軌道器的球形再入艙內。左邊是其所拍握並經影像調控的金星表面景像(原照片攝自可移動廣角鏡形式,圖片來自連結)

 

所以蘇聯人設想的降落方法,就是鈦合金耐壓殼製作貝內拉著陸器,並在進入金星大氣層後分別由熱盾及降落傘減速,之後就在40公里以上的高度脫離所有東西,直接以著陸器上附設的鈦合金減速板減速。 這方法相當大膽也十分成功,著陸時登陸器(金星10號)的下降速度已減至每秒7公尺,並成功降落在地表溫度高達470度的金星表面。能在這種惡劣環境下拍到金星表面照片及數據然後傳回地球,至今天而言,仍然是後無來者的。

huygens descent and landing in 2005 pillars 1579128480惠更斯號的著陸情況展示,內大氣圈的減速主要靠超音速主傘和次音速副傘先後完成,並在落地後才脫離。(照片來自ESA)

 

熱盾-降傘減速空降:

這是在大氣層較厚的星體的方法,到目前為止也只有在土星衛星泰坦(土衛六,該衛星的地表大氣壓力約為地球的1.5倍)上試驗過,但其實這模式最初是由60年代偵照衛星的返回載荷或載人返回艙重返大氣層發展而來。簡單來說,這是在早期使用熱盾減速後,再以兩種不同效率的減速傘(用於上層大氣減速的超音速傘及用於低空大氣層減速用的副傘)把速度降到著地時每秒1-2米左右,沒有使用任何火箭緩衝裝置的減速方法,由於土衛六重力較低但低層大氣相當濃厚,基本上就算用減速傘也能有效減速了。

另外,這方法也能盡用每一克載荷於任務儀器上,不需用上佔重不少的火箭引擎與燃料外,其實還出於避免一種情況:土衛六表面都是甲烷「水」潭,雖然不會因為高熱而引發激烈氧化作用/爆炸(因為土衛六幾乎沒有氧氣),但液態甲烷在火箭尾氣的溫度下仍會迅速蒸發並膨漲,和爆炸幾無分別之餘,更為對著陸器本身造成災難性的破壞。

Q11A2早期KH-9光學偵察衛星用以將偵察成果(菲林)送回地球的球形重返大氣層熱盾(底下那四個圓球);右圖為歷次太空任務後收回作研究用的蘇聯聯合號太空船返回艙。(圖片來自Hexagon KH-9: Meeting the challenge及網絡圖片)

 

熱盾-降傘減速-反推降落:

這算是最早也最傳統的行星降落方法,後兩項都是這個衍生出來的。這種模式也是前述的軌道載荷返回地球方式,只是因為火星引力非常弱,空氣稀薄令減速效果大減,單純熱盾及降傘都不夠用,要避免登陸器砸個粉碎,只好加裝類似傘兵空投重裝備用的反推火箭,在最後階段進行減速降落。

d4774ff64f6b36dd968a601c252f3bfb蘇聯的火星3號探測器,1971年12月2日登陸火星,是最早登陸火星的人類儀器,而且也是首次帶有可移動登陸載具的火星著陸器,名為Prop-m。由於當時大家都不清楚火星表面的情況,Prop-m不是用輪子或屐帶移動,而是兩個滑橇像腳踏一樣前後移動。(圖片來自連結)

 

事實上,這是蘇聯人最先研制出來並成功登陸火星的登陸器所採用的形式,火星3號登陸器(不計火箭燃料,淨重355公斤)第一次進行火星著陸就成功了,但可能因為當地剛刮起塵暴的原因,儀器一落地便受到嚴重靜電干擾,通訊系統隨即損壞,整場登陸最終變得毫無意義。兩年後的火星6及7號也因其他原因直接撞出大坑來。直至4年後的1975年,美國兩個探測器維京1號及2號以類近的方法安全降落火星。相對於火星號使用固體燃料火箭及壓縮氣體,更重(600公斤)的維京號採用聯氨火箭,減速能力更大。這種方式後來也繼續成為鳳凰號與洞察號火星自動探測器的著陸方式。

 2021123外國航天愛好者繪製祝融號傳統降落過程,同時CG也展現祝融打開反推引擎的情景。(網絡圖片)

 

事實上作為第二 / 三個登陸火星的國家,中國的祝融號登陸車(連同搭載減速反推火箭的登陸器)也是以這種最傳統的方法進行降落。不過這方法雖然傳統,但1998年亦曾試過失敗:火星極地著陸者號(Mars Polar Lander)在降落前40秒鐘減速引擎突然關閉,結果該著陸器直接砸在地上,成為碎片。

這種降落方式雖然堪稱成熟,但著陸器仍需使用火箭,不但增重之餘也有一定危險性,尤其是增重上對於載荷「錙銖必計」的航天發射而言,相當於實用載荷進一步減少,燃料有時甚至可佔整個載荷的一半,主事者大概都不太怎樣討喜了。以祝融火星車為例,整個著陸載荷足有1300公斤,但若扣去沒有什麼研究器材的火箭反衝著陸平台及減速用燃料,火星車就只有240公斤,就比形式相約的勇氣號和機遇號重60公斤而已。

 

展示機遇號火星車連著陸器在火星表面以氣囊著陸的CG圖。

熱盾-降傘-火箭減速-氣袋空降

這可說是美國於90年代重啟火星探測計劃時一項最大膽的嘗試。其降落方法是……在最後降落減速階段不會使用用逆衝火箭減速,而是於355米高空展開三組充氣氣球並利用燃氣發生器充氣,然後於高度20米時脫離減速火箭與降傘,直接以彈跳滾動的方式降落表面,經過多次彈跳,待姿勢確定後才釋放氣球內的氣體。這種設計最初用在96年的火星探路者上,之後也用到勇氣與機遇號這兩個可能是史上最成功的火星探測車上。

Mars445由英國打造、歐洲太空總署發射的小獵犬2號著陸器,本是利用小型機械臂及上面的實驗裝置來找尋火星生命跡像,這是歐洲太空總處第一個火星登陸器,但最終失敗收場,由失敗十多年後拍到的衛星照片分析,本著陸器應已成功登陸,但至少有兩至三塊太陽能版及通訊電線沒能打開,結果令訊號無法回傳。這故障有可能在著陸氣袋彈跳所造成,也有可能是停定後有氣袋卡住太陽能電池板令其無法打開。(圖片來自ESA)

 

這種降落方法的好處,首先是削去了在登陸器上使用更為笨重的反衝火箭,而且降落時因為周圍彈跳,較不容易為亂石堆卡死,令著陸器著陸時冗餘更大,成功率更高;然而著陸時的震盪由於比較高,其實還是有機會令載荷受損,例如英國的小獵犬2號工作站原本成功著陸,但後來多塊光伏板無法打開,導致任務半失敗,就可能由於著陸的強烈震動引起;另一方面,這種降落方式相對於傳統降落方式也需要更多程序,對任務電腦臨場自行判斷的要求還是比較高;更有甚者,這種頗為粗暴的降落方式,無法應付更重的載荷,基於日後美國的火星著陸任務載荷重型化,這種甚具創意的方式雖證明成功,但就沒有繼續下去了。

 NASA MSL EDL sequence and Sky Crane landing technique courtesy of NASA Jet Propulsion好奇號火星探測車進入火星大氣層與降落的流程圖,以及展示「天空吊車」如何運作的CG圖。(圖片來自NASA)

 

熱盾-降傘-火箭減速-「吊車」降落

基於2010年代初期,美國及歐洲已在火星軌道上建立長期中繼通訊能力,每次發射也可集中於一項任務,是故美國及歐洲的載具也顯得愈加大型化,這情況下,就需要更有效且更容易讓重型載荷平安著陸的載具了。

美國太空總署設計了一種大型、以放射性同位素電池作為主要電力來源(亦即不用受火星天氣影響)的移動版火星科學實驗室好奇號,該車全重接近900公斤,若以傳統的著陸器進行降落,未計熱盾的著陸器加上燃料隨時超過2.5噸;結果太空總署直接就將著陸器變成火星車自身,並裝其裝在一個裝有聯氨火箭並具備懸浮能力的「空中吊車」平台上。平台加上燃料大約只有1.5噸,在離地面1哩的高空脫離艙罩並開動反推引擎繼續下降,在大約20米高空開始懸停並在可控裝態下放下好奇號,一旦接觸到地面,吊車就會切斷三條連接索並飛離著陸點墜落。

 「國家地理雜誌」製作好奇號火星車投放CG片段中,「天空吊車」究竟如何運作的片段,以及其設計師講解本載具運作的特點。

 

這個降落設計的優點在於末段更在可控性之餘、降落更平穩之外,平台設計也可更輕巧,而且對於載荷的重量與大小限制可進一步減少,相當於大幅強化載荷的性能,甚至壽命。2011年降落火星的好奇號,被稱為性能最優異的火星探測裝置,而至今年年初,搭載著探地雷達、挖土機械臂及創新號無人直升機的姊妹平台毅力號,也是用同一種空中吊車降落火星上。不能不說,在可選擇的火箭有限下(更大載荷的獵鷹9與重獵現有載荷艙不足以塞進星際加速用的上面級火箭、三角洲四號重型太貴、SLS等也未發展完成),以這種降落方式盡辦法加大探測器載荷及性能,不能不說十分成功。

image.MQ6 .12.20200722062220毅力號火星探測車,其機械臂最特別之處,不但是採掘並收集泥石樣本的重要工具,本身更是兩個科研儀器-拉曼螢光光譜儀(SHERLOC,檢測指定目標的有機物情況)及 X射線岩石化學行星儀(PIXL,將挖得的樣本作即時元素 / 化合物成份分析)。(照片來自JPL)

 

總結:

當初天問一號升空時,航天部門及航天粉們都對「繞、落、巡」三合一任務一步到位都沒有很大信心,因為過去火星任務失敗率不低,美國已經技術成熟,最近22年的7次任務中還是有1次失敗,歐洲失敗率更高,俄國更幾乎每戰必敗(如同中魔咒一般)。比較起來,中國能一次成功,就已經很不錯。不過我想講的是,任何研究或成果,其實都是站在巨人的肩上,踏在前人成功 / 不甚成功的路上前行,憑前人經驗再加以改進;就以降落方法為例,基本上就是直接承繼美蘇所用最傳統的「熱盾-降傘減速-反推降落」系統,只是稍有改良。就正如一位網友所說:「沒有美蘇踩坑,(中國)做不到一次成功。」

FB IMG 1621153368312天問一號的著陸艙和一般的返回艙結構和功能沒什麼分別,不過多了一塊可凸出的配平翼,其於時速三馬赫打開時,賦與艙罩一定迎角,有配平艙身及少量調控軌道的作用,讓艙罩有一定迎角,可讓它更容易打開降傘,減少意外的風險。(網絡圖片)

發佈於 博評
By 2021-05-15

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