如何科學地表演“鐵鍋燉自己”
2021年04月11日08:39

  來源:中科院地質地球所

  NASA的火星2020任務,毅力號火星車,著陸已經有一個多月了,相關的科研任務正在開展,美國的科學家和工程師們也開始了對數據的初步分析。

  出乎小編意料的是,最早一批科學數據產出,居然包含了毅力號“鐵鍋燉自己”的關鍵數據!

  所謂“鐵鍋燉自己”中的“鐵鍋”,指的是毅力號的“隔熱罩”;這口鐵鍋還有一個“鍋蓋”,就是毅力號的“背殼”。毅力號在進入火星大氣層時,高速與大氣層摩擦並壓縮前方的空氣,導致這口鍋被加熱到數千攝氏度,壓力也遠高於靜壓,活像一隻高壓鍋。

從上到下:毅力號(火星2020任務)的巡航級、背殼、下降級、毅力號火星車和隔熱罩
從上到下:毅力號(火星2020任務)的巡航級、背殼、下降級、毅力號火星車和隔熱罩

  進入火星大氣層的過程非常凶險,全靠這口大鍋保護火星著陸器,因此,其性能至關重要。如何評估這套隔熱罩和背殼的效果呢?NASA工程師在這層殼子上安裝了很多溫度和壓力的傳感器,及其管理系統,統稱為MEDLI2(The Mars Science Laboratory Entry Descent and Landing Instrument 2)。它記錄了毅力號“鐵鍋燉自己”過程中,殼子各處的重要溫壓數據。4月1日,NASA在其官網上發佈了工程師對這段數據的分析成果。

毅力號火星車隔熱大底及其上安裝的MEDLI2。紫銅色線路是MEDLI2的布線,線路連接了控製器盒與各傳感器
毅力號火星車隔熱大底及其上安裝的MEDLI2。紫銅色線路是MEDLI2的布線,線路連接了控製器盒與各傳感器

  眾所周知,毅力號火星車是好奇號火星車的親兄弟,二者的設計基本一樣。MEDLI2與好奇號火星車的MEDLI也是基本相同的。MEDLI主要用於測量著陸器進入火星大氣層時的空氣熱環境、隔熱罩淺表面的材料性能、大氣層密度、以及幫助著陸器穩定方向。它會在著陸器進入火星大氣前五個小時左右開機,一直工作到著陸器的超音速降落傘展開後約10秒,並在隔熱罩分離前的幾秒完全關機。

剛剛分離的隔熱罩,與安裝在其上的MEDLI2。圖片為毅力號火星車著陸過程中實際拍攝
剛剛分離的隔熱罩,與安裝在其上的MEDLI2。圖片為毅力號火星車著陸過程中實際拍攝

  MEDLI2包含了三大類傳感器,熱電偶、熱流計、壓力傳感器。這些傳感器的數據經過預處理之後,會傳輸至毅力號火星車上暫存,等著陸成功,一切安全之後再回傳地球。

MEDLI2安裝在隔熱罩背面的壓力傳感器
MEDLI2安裝在隔熱罩背面的壓力傳感器

  鐵鍋的壓力

  壓力傳感器測量的是隔熱罩上的壓力,隔熱罩是著陸器的迎風面,直觀地想,隔熱罩上的壓力應該會和著陸器的迎風速度、火星大氣層的密度正相關。

NASA發佈的壓力傳感器數據曲線,縱軸是壓力,橫軸是數據的秒數。數據圖既不清晰,也缺乏刻度,只能看個大概
NASA發佈的壓力傳感器數據曲線,縱軸是壓力,橫軸是數據的秒數。數據圖既不清晰,也缺乏刻度,只能看個大概

  圖中可見,隨著時間的推移(著陸過程的推進),壓力在不斷降低,呈現近似指數下降的規律——與此同時,速度也是隨時間降低的。在圖線中的①段,著陸器進行了數次旋轉機動,用於調整氣動指向,導致壓力發生波動。在圖線中的②段,著陸器拋出了數個配重塊,通過改變重心調整了自身的姿態,姿態的改變導致了表面壓力的改變。到圖線的③段,超音速降落傘打開,速度急劇降低,壓力也隨之急劇降低。不到10秒,MEDLI2關機,數據中斷。

  在這之後,毅力號火星車會先拋掉“鐵鍋”隔熱罩,再拋掉“鍋蓋”背殼,然後靠反推火箭和天空吊車慢慢著陸。

隔熱罩與著陸器通過火工品(爆炸螺栓)連接,在分離前,熱切割器先燒斷MEDLI2和火星車之間的數據線,隨後爆炸螺栓把隔熱罩扔出去
隔熱罩與著陸器通過火工品(爆炸螺栓)連接,在分離前,熱切割器先燒斷MEDLI2和火星車之間的數據線,隨後爆炸螺栓把隔熱罩扔出去

  鐵鍋的溫度

  毅力號與我國的天問一號設計不同,他是直接從火星的飛掠軌道降落到火星地面。因此,其進入火星大氣層時的相對速度非常高,可以達到約5500米每秒,超過20倍火星聲速,其降落過程可以說是非常“火花帶閃電”。根據MEDLI2的測量,在隔熱罩內,峰值溫度達到了約1000℃,對應隔熱罩外表面約1400℃。

毅力號進入火星大氣層的藝術想像圖
毅力號進入火星大氣層的藝術想像圖

  這溫度很高,而且會持續數分鐘,一般來說,航天器再入大氣層時,都會在隔熱罩上覆蓋厚厚的一層“燒蝕劑”來吸收和發散熱量。可是火星探測器上,每一克質量的發射成本遠超黃金,燒蝕劑帶多了當然就是浪費。NASA的工程師於是在隔熱罩里埋設了11個熱電偶傳感器(跟家裡測量油鍋溫度的溫度計是同類),一方面,增強溫度測量的準確性;另一方面,如果某一個熱電偶損壞了,說明那個位置的燒蝕劑用完了。

NASA火星2020任務的總體藝術想像圖。隔熱罩上的方格狀結構就是燒蝕劑瓦片
NASA火星2020任務的總體藝術想像圖。隔熱罩上的方格狀結構就是燒蝕劑瓦片

  整個實驗做下來,可以說是收穫頗豐,也可以說是毫無收穫——佈置的11個熱電偶一個都沒壞,說明隔熱罩非常充分。換句話說,隔熱罩上的燒蝕劑的量“需要重新評估”。下一次美國人的火星探測器的隔熱罩,可能會再輕盈一些。

 組裝車間里的隔熱罩
 組裝車間里的隔熱罩

  幫助燉好下一鍋火星探測器

  最近幾個月以來,各路自媒體和官媒,已經為大家反複科普了,為什麼美國的火星車是直接著陸的,而我們的火星車要在軌道上先觀察三個月再著陸。一言以蔽之——美國人經驗豐富。哪怕是這麼一個不夠完美的隔熱罩,也是他們幾十年技術迭代的結晶。我們中國人第一次造訪火星,當然必須慎之又慎,哪怕不得不犧牲火星車的部分性能。

“鍋蓋”背殼上的7個溫度計、3個熱流計、1個表面壓力計的測量結果,和隔熱罩上的11個溫度計、7個表面壓力計的測量結果曲線。峰值溫度大約1400攝氏度,峰值壓強大約29千帕
“鍋蓋”背殼上的7個溫度計、3個熱流計、1個表面壓力計的測量結果,和隔熱罩上的11個溫度計、7個表面壓力計的測量結果曲線。峰值溫度大約1400攝氏度,峰值壓強大約29千帕

  經過數十年的技術總結,美國人已經能夠相對好地預測著陸器進入火星大氣層的過程中的溫度和壓力情況。在NASA發佈的這條“鐵鍋燉自己”的新聞中,他們表示,峰值的壓強與團隊的預期相符。

  MEDLI2的團隊將會繼續深入研究這短短一段數據大約六個月,用於增進NASA對火星大氣層、對再入大氣層過程的瞭解,以期能幫助後續的火星任務,甚至是未來前往土衛六(泰坦)的著陸任務。

毅力號火星車的背殼和隔熱罩
毅力號火星車的背殼和隔熱罩

  一方面,越是深入瞭解火星再入過程中的氣動特性,未來NASA的火星任務著陸點就能夠越精確;另一方面,掌握了隔熱罩和背殼的性能參數,這兩件必要但卻非核心部件就能做得更輕更高效。畢竟,從隔熱罩里摳出1kg的質量來,探測器就能多帶1kg的科學設備。

  當然,如果不出意外,NASA是不會和我國的航天部門分享這方面的數據的。不過倒也不必著急,想必未來我國的經驗也會越來越豐富的。

  最近一段時間,毅力號火星車將會不斷有新的進展,小編也還在持續關注。不過,我還是更期待幾個月以後,天問一號的精彩表演!

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