剑指火星的中国超音速降落伞

skystar

近日报道，中国航天科集团五院508所成功完成了超音速降落伞的风洞试验。正如超音速降落伞技术保证了“海盗”号的软着陆，中国超音速降落伞技术的预研，将为我国未来火星探测任务奠定坚实基础。

超音速降落伞的需求

我们对降落伞早已司空见惯，不过可能很少有人留意到，目前多数降落伞工作在亚音速下。航空兵空投物资和伞兵跳伞的降落伞如此，太空飞船从轨道返回时同样是靠大气阻力减速到亚音速时才打开降落伞。

神舟六号飞船和降落伞，它的降落伞只能亚音速打开并减速

亚音速降落伞也并非唾手可得的技术，即使是大名鼎鼎的太空探索技术公司，猎鹰火箭早期回收时使用的降落伞技术仍然是外购的。与此同时，超音速开伞的降落伞也有一席之地，它们目前最引人注目的用武之地是火星，从20世纪70年代美国的“海盗”系列探测器开始，美国的火星探测器都使用超音速降落伞着陆。超音速降落伞要面对巨大的拉力，开伞和工作具有极大的技术挑战性。尽管如此，美国航空航天局仍然不断深入探索研制更大的超音速降落伞，因为这项技术在未来的火星探测和载人火星任务中都大有用武之地。

火星着陆的难关：稀薄的大气层。图为高速进入火星大气层的勇气号

火星是一颗让工程师们感到十分棘手的星球，它质量大环绕速度高，又拥有大气层，这对着陆器提出了很高的要求。相对于月球这种表面几乎真空的环境，火星大气层太稠密，着陆器进入时仍会摩擦产生高温，需要设计专门的防热盾；相对于地球或是土卫六这种拥有稠密大气层的星球，火星大气又太稀薄，单靠普通降落伞减速十分勉强，尤其是对于高海拔地区或是大质量的着陆器更是如此，超音速降落伞正是一个解决之道。既然亚音速降落伞工作区域狭窄，可能导致还没有充分减速就直接撞击火星的灾难，那么在超音速时开伞，不就可以更好的完成减速任务么？

对比亚音速降落伞和亚音速反推系统，火星环境下超音速降落伞具有更强的减速能力

美国现有的“好奇号”火星车质量900千克，加上“空中吊车”后的重量就更大了，它的开伞速度约为405米/秒，而更早的凤凰号着陆器开伞速度也有1.5马赫左右。2015年喷气推进实验室测试的低密度超音速减速器质量达到了约3吨，根据理论推算，超音速降落伞最高可以支持10吨载荷的火星着陆。

超音速降落伞的试验

2014年的LDSD试验，33米直径的大型降落伞超音速下开伞即被撕碎

超音速降落伞难度大，但为了着陆更重的载荷，仍需要更大直径的降落伞。美国航空航天局启动了低密度超音速减速器（LDSD）项目，计划进行4次实际超音速飞行试验，研制直径30米级别的超音速降落伞。2014年6月和2015年6月，低密度超音速减速器先后进行了两次超音速试验，不过遗憾的是，这两次都以失败告终。2014年的第一次试验中降落伞一打开立刻被撕碎，而2015年的第二次试验结果稍好一些，但也不过是接近完全打开时被撕碎。尽管如此，我们很难以简单的失败来评论这两次试验，美国喷气推进实验室研制的33.5米直径的超音速降落伞不仅是人类有史以来最大的降落伞，而且在实际超音速飞行试验获取了宝贵和重要的测试数据，为突破大直径超音速降落伞技术奠定了基石。这两次试验还分别测试了超音速盘帆降落伞和超音速环帆降落伞，如果它们能实现更大直径下2倍音速开伞减速的目标，将大大提高美国的火星着陆探测能力。

美国LDSD项目中分别测试了盘帆和环帆的大型超音速降落伞，积累了宝贵的数据

据官方报道，不久前中国航天科技集团五院508所圆满完成了降落伞的超音速风洞试验，通过这次试验技术人员获得了丰富和宝贵的降落伞超音速启动参数，加深了对超音速降落伞工作特征的认识，并最终确定了超音速降落伞的改进方案。今年两会期间人大代表胡浩总师披露火星探测项目已经正式立项，毫无疑问，为了未来无人火星探测项目的顺利实施，中国航天人未雨绸缪早已开始了一系列预研。

中国的火星任务

中国火星探测已经立项，争取2020年发射第一颗火星探测器

美国积极开展火星探测，中国同样展开了预研工作。过去几年里，中国航天科技集团五院和八院都进行了火星探测器的一系列研究，航天科技集团积极争取的火星探测项目也已经立项。按照现有规划，中国将在2020年左右使用长征五号火箭发射一个重量级的火星探测器，它集火星全球勘测轨道器、火星着陆器和火星巡视器于一身，首次任务就进行环绕和巡视探测。目前公开论文显示规划中的火星进入器质量约300千克，这样巨大的进入器同样需要超音速降落伞才能有效完成减速。2015年10月航天报报道五院508所顺利完成了首批火星降落伞的高塔投放实验，揭开了降落伞减速分系统研制的序幕。

我国未来火星取样返回任务中进入器最轻也有1.9吨，火星大气减速需要大型超音速降落伞

美国已经进行了多次火星着陆探测，欧空局和俄空局联合的地外火星任务也将进行着陆巡视探测，我国火星探测一次完成环绕和巡视探测，水平要比印度首次探测更高，但软着陆也需要超音速降落伞和亚音速反推等技术。如果未来火星任务追求更高的科学价值比如降落在海拔较高的地区，那就更需要使用类似LDSD的性能更好的超音速降落伞了，中国航天科技集团还计划进行火星取样返回任务，巨大沉重的着陆器要在火星软着陆成功，超音速降落伞技术同样是必不可少的关键技术。