□ 黄志澄

最近美国国家研究委员会，在对美国航宇局（NASA）的载人火星探索任务的评估报告中，将“进入、下降与着陆（Entry, Descent, and Landing,EDL）”技术，列为载人火星探索任务的第一项关键技术。其余两项分别是空间推进及能源和辐射安全。对于载人火星探索任务，为何EDL 技术会显得如此重要？为了问答这个问题，就让我们首先从“好奇”火星探测器的EDL过程说起。

“好奇”的恐怖7分钟

以核电池作为动力、重为899千克的“好奇”号 火星车，是NASA迄今为止最为先进的火星车。它在NASA还有一个学名，叫做“火星科学实验室”（MSL）。它于2011年11月26日发射升空，并在2012年8月6日在火星表面着陆。

NASA设计“好奇”号时，遇到的最大困难，就是它的EDL系统。2012年8月4日，在“好奇”即将飞抵火星时， NASA发布了一个5分钟长的视频，名叫“‘好奇’的恐怖7分钟”。这个视频说明：从“好奇”号进入火星大气层起，直到它的轮子触及火星表面，需要在7分钟时间内，将它的时速从20920千米降至零。这是生死攸关的7分钟。特别是“好奇”号并没有采取过去采用的制动火箭、气囊、着陆支撑等方案，而是大胆地采用了“天空起重机（Sky Crane）”的着陆方案。这个方案在地面是无法进行完全的模拟试验的，因此存在很大风险。方案是否成功，就在此一举。

“好奇”号在EDL阶段，超过90%的减速是在打开降落伞之前，由探测器和火星大气之间的剧烈摩擦而实现的。大约在“好奇”号进入大气层之后75秒，隔热罩的温度达到了最高值，此时隔热罩外表面温度高达2100摄氏度。大约又经过10秒，就达到最大减速值。减速的最大负载可达10g -15g。“好奇”号在进入火星大气层254秒后，开启了直径约16米的降落伞，此时距离火星地表大约11千米，探测器的速度为每秒405米。在降落伞打开24秒后，探测器与前隔热罩分离，此时高度约8000米，速度为125米/秒。此时，火星车和“天空起重机”的下降级仍在后隔热罩内。在前隔热罩分离约85秒后，后隔热罩和与其连接的降落伞与“下降级及火星车组合体”分离。此时离地面约1.6千米，速度为80米/秒。与此同时下降级上安装的8台反推发动机同时启动，进入有动力的缓慢下降阶段。当组合体距离地面高度约20米，速度降至大约0.75米/秒之后，伸出几根缆绳，将火星车从下降级中吊出，悬挂在下面。随后，组合体将持续保持这一速度，直到16秒后，将火星车稳稳地放置在地面上为止。

由于火星大气层的不确定性，导致“好奇”号在EDL过程中每一步骤发生的时间和相应的高度，都存在一定的误差。整个EDL过程可能在380秒～460秒之间。变数最大的是在降落伞打开后将飞行多长时间，可能在55秒～170秒之间。由此可见，为了保障着陆成功，将对EDL的“导航、制导和控制”（GNC）技术，提出了很高的要求。

“好奇”号的EDL过程

载人火星探索的EDL更加困难

实际上，至今各国发射的无人登陆火星的探测任务共有19次，只有7次能登陆成功，其中最重的是“好奇”号，其着陆质量也不到1吨。因此，比“好奇”号重得多，质量达10吨～50吨的载人火星飞船，其EDL技术的难度将更大。

首先，由于火星大气层的特性非常复杂，并随时间和地点都有变化，相比地球大气层而言，我们对它又知之甚少，因而存在很大的不确定性，这就较难控制其着陆精度。其次，火星大气层和地球完全不同，其主要成分是二氧化碳，大气的密度又不到地球大气的百分之一。如何在不到10分钟的EDL时间内，在这样稀薄的大气中，把飞船速度从超高声速，一直降到零,就显得十分困难。尤其困难的是中间的“下降”阶段，要将相当大的轨道能量，在接近火星地表前，减到不足原来的1%。再次，由于火星的地形地貌十分复杂，载人飞船只有实现比无人时更精确的着陆，才能确保人员的安全。一般来说，无人火星探测器的落点精度为小于5千米，而载人火星探索任务将要求小于100米，这就大大增加了载人火星探索任务EDL技术的难度。

问题不仅至此为止，火星大气虽然稀薄，但对于高速进入的载人飞船来说，仍然产生了严重的气动加热。由于随着飞船尺寸的增大，其雷诺数必然增加，从而使探测器表面的边界层，将提前转换成湍流，从而使表面的热流密度大大增加。美国 “火星科学实验室（MSL）”的风洞试验表明，在70度倒球锥的后部，湍流的热流密度，将是层流时的6倍，从而迫使NASA在2008年重新设计了MSL的防热系统（TPS），从较轻的SLA-561V，改成更耐热的 PICA 。未来的载人火星飞船的尺寸更大；同时，无人火星探测器最大进入速度仅为7.6千米/秒,而载人火星探索任务的进入速度，可达到9.0千米/秒，因此，气动加热问题将为更加突出。

NASA将载人火星探索任务的EDL技术分成高超声速、超声速和亚声速终点下降等三个阶段，附图列出了每个阶段的关键技术。对于未来的载人火星探索任务，将会选择和组合使用图上提及的各项EDL技术。

NASA 正在研究的各种EDL技术

NASA 正在研究的各种EDL方案

中等升阻比的进入飞行器

美国无人火星探测器的EDL有两种模式。一种是最初的“海盗”和最近的“MSL”，采用的是升力式进入；而其余的“火星探路者”、“凤凰”、“勇气”、“机遇”等都是采用弹道式进入。弹道式进入时探测器的总加热量较小，但最高的热流密度较大。升力式进入的结果却与此相反。升力式进入还可以减小过载，增加机动距离，提高落点精度。但是，就“MSL”而言，其升阻比也并不太大，只有0.24左右，这显然难以满足载人火星探索任务气动加热更加严重时的要求。为此，NASA正在研究一种“中等升阻比的进入飞行器”，其升阻比将在0.4至0.8之间，可能的外形是钝双锥或钝椭圆柱。

目前NASA 兰利研究中心已经在马赫数为6.0的0.6米风洞中，对中等升阻比的外形进行了试验，试验结果表明，其边界层的转捩特性，将取决于其外形的变化。目前，NASA对于未来的载人火星的进入，是采用传统的倒钝锥外形，还是采用中等升阻比外形，并未做出决策，估计这要等到载人火星探索任务的总体方案决定之后，才能最后定案。若是总体方案要求登陆舱和居住舱一起进入火星大气层，则有可能采用中等升阻比的外形。

NASA系统分析表明，在载人火星探索任务EDL过程的高超声速阶段，采用中等升阻比的外形比起使用在下节介绍的“高超声速充气气动减速器(HIAD)”来，将增加20%的质量。因此，NASA的研究人员正在对中等升阻比的外形和进入轨道进行优化，使其最大热流密度和总加热量进一步减小，从而使它能够采用NASA在“高超声速充气式气动减速器（HIAD）”计划中发展的柔性防热材料，来设计其TPS系统，以减少其质量。

中等升阻比外形与HIAD方案的比较

IRVE-3在车间

HIAD的EDL过程

高超声速充气式气动减速器(HIAD)

为了确保更大质量有效载荷能在火星表面精确着陆，NASA正在发展一系列的创新技术。对于载人火星探索任务，若使用“好奇”用过的传统降落伞，其面积将有一个足球场那样大，已经没有了实际应用的可能。这时，一种“充气式气动减速器（IAD）”就应运而生了。IAD将防热与减速两种功能集于一身，而且具有质量轻、可折叠等优点，在载人火星探索任务中将会有广阔的应用前景。例如，NASA设想的HIAD方案，当载人飞船进入火星大气层后可以膨胀开来，其直径在数秒内从大约4.5米变为大约23米，并采用特殊的高强度耐高温材料，可以耐得住进入火星大气层时所遇到的高温环境。

NASA为了研究试验HIAD方案,已进行了一系列“充气式再入飞行器试验（IRVE）”的飞行试验。2007年在弗吉尼亚州沃勒普斯发射场，NASA进行了IRVE-1试验，由于验证飞行器与“黑雁”探空火箭分离时失败，导致试验失败。

2009年8月17日，进行了IRVE-2试验，它由“黑雁”9探空火箭将试验飞行器推到211千米的高度后，末级火箭携带验证飞行器以超声速下落。发射后90秒，IRVE-2被释放。在自由下落了3分30秒后，防热罩开始充气。根据传感器信息显示，防热罩可充气达到全尺寸，且姿态稳定。随后的30秒内，研究人员搜集了热流密度和压力的数据。

2012年7月23日，NASA进行了IRVE-3 试验，试验过程中再入速度达到3千米/秒，最高热流密度接近20 W/cm2。充气式防热罩使用了组合结构，防热层使用了Nextel 312、承力结构使用了Kevlar、气密层使用了Kapton，鼻锥则使用了Teflon。这样的组合使得飞行器能抵抗1260℃的高温。

NASA还计划进行IRVE-4试验，主要验证其控制系统的性能。此外，在HIAD计划中，还有两次“高能大气再入试验”（HEART）的飞行试验。试验将利用更大的充气式防热罩（直径可能达到8米），以探索这种技术在更加严苛的再入环境下的适应性，进一步扩大其应用范围。

当前，发展HIAD的主要关键是总体优化设计、确定其气动热力学性能、研发轻质的防热材料，解决折叠和展开的稳定性问题。

LDSD的飞行试验略图

LDSD的外形

在车间装配中的LDSD

低密度超声速减速器（LDSD）

NASA除了发展HIAD而进行一系列飞行试验之外，还在研发“低密度超声速减速器（The Low Density Supersonic Decelerator ,LDSD）”。NASA当前正在为LDSD项目研发三款装置，其中两款为“超声速充气式气动减速器（Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator, SIAD）”。6米的SIAD-R减速装置，主要面向机器人任务；而8米的SIAD-E减速装置，则适合于载人任务。另一款装置则是30.5米的“巨型超声速降落伞”。前两款装置在未开启时，能够容纳在很小的容器中；而在展开时，将快速充气膨胀，从而能够实现从3.5马赫到2马赫的降速效果。然后，再打开上述的巨型超声速降落伞，把探测器进一步减速至亚声速。

SIAD的设计思想参考了夏威夷河豚的特性，这种河豚遇到外来的敌人时，可让身体迅速膨胀。由聚乙烯膜制成的SIAD设计成半球形，在它进入火星大气层后能迅速膨胀，在完全展开后它的面积达到足球场大小，大大增加了它与火星稀薄大气的接触面积，从而增加阻力而使探测器减速。它外层的隔热装置可以采用消耗性材料。SIAD和HIAD的最大差别就在于SIAD的防热措施要简单得多。

为了在地球上进行模仿火星大气层的试验，NASA的工程师们决定将LDSD的试验平台，提升至地球平流层中进行试验。在哥伦比亚科学气球基金提供的氦气球帮助下，首先将试验平台送到太平洋上空37千米处。然后在火箭助推下爬升至55千米高空。在这里的大气密度接近火星的大气层后，试验平台将以4马赫左右的速度高速下落。然后。试验平台的减速器将会膨胀使它减速，再通过减速伞进一步减速，最终落入太平洋。

NASA在6月28日在夏威夷考艾岛的导弹试验场，对SIAD进行首次测试。在这次试验中，虽然实现了SIAD的充气膨胀，但大降落伞却没有打开。如果今后的试验一切顺利的话，NASA有望于2020年开始将LDSD投入使用。

单喷口反向推进的流场

反向推进的总阻力系数

反向推进的风洞试验模型

反向推进的飞行试验

超声速反向推进(SR)

NASA很早就开始了超声速反向推进的研究试验工作。在上世纪50至70年代，作为对空气动力减速装置的增强方案，在兰利研究中心的风洞中，进行过一系列风洞试验。这些试验的结果，显示了在探测器前面的喷流与探测器前的弓形激波，会发生复杂的相互作用，从而产生了十分复杂的流动现象。

由图可见，对于单喷管的情况，在喷口和弓形激波之间，又形成了一个喷流激波，其位置取决于喷流的总压与来流总压之比。在以后的30年内，这项研究试验工作基本上处于停滞状态。直到2000年以后，NASA在研发“火星科学实验室”的EDL方案时，才重新提出来。该项技术就是在飞行器进入火星大气层时，依靠反推火箭发动机，对飞行器进行减速，但在下降阶段只使用反推火箭一项技术，则需要的燃料太多，而且难于保证降落时的稳定性，因此，应将这项技术和其它技术组合起来使用。

将超声速反向推进用于火星EDL时，飞行器总的阻力系数是飞行器的气动阻力系数和发动机推力系数之和。此时，气动阻力系数约为1.5左右,而推力系数约为10左右。因此，推力系数将起决定性作用。NASA在2009年提出的“载人火星探索设计参考体系结构（DRA5.0）”中，设想的超声速反向推进方案是采用6个液氧/液甲烷发动机，最大推力为300千牛。

兰利研究中心在其UPWT风洞和Ames研究中心在它的2.7米x2.1米的风洞中，对同一模型（700球锥柱，有1至4个喷口）进行了风洞试验，研究了发动机的推力对飞行器压力系数的影响。今后这项技术的研究重点是研究大发动机的节流问题，并确定喷流和超声速来流的相互影响。为了确定喷流对飞行器气动力性能的影响和采用有效的防热措施，需要进行广泛的流体力学（CFD）计算和风洞试验，并计划利用探空火箭和气球在地球上空进行飞行试验。

NASA的《载人火星探索设计参考体系结构5.0》

SpaceX公司的第二代“龙”飞船

着陆技术需要提前预研

对于载人火星探索任务的终点下降的方案，由于载重的限制，“好奇”号的“天空起重机”方案，似乎已不再适用，目前可采用的方案包括气囊 、着陆轮和着陆柱、反推火箭和可粉碎的能量吸收器等，当然也包括以上述各种方案的组合。这里我们注意到，今年5月29日，美国太空探索技术公司发布了第二代“龙”飞船概念。这艘配备了7个座位的载人飞船有望在2017年正式飞往太空。依靠探测器外部呈X形布置的4组共8台SuperDraco发动机，“龙”飞船可以在低空减速乃至悬停，并伸出4个支架，以降落在选定的任何地方。这一技术有可能用于未来的载人火星探索任务。

综合以上分析，未来的载人航天任务，将在上述的各种EDL技术中进行选择和组合。究竟如何组合，将取决于载人火星探索任务的总体方案和相关技术的成熟程度。目前，NASA有关载人火星探索任务的总体方案，只有2009年7月发布的《载人火星探索设计参考体系结构5.0(DRA5.0)》，估计这个体系结构，在今后还会根据任务要求和各分系统的进展而有所变化。

众所周知，发展EDL技术，需要多学科（如总体、气动、结构、材料、控制等）的协作攻关。主要的手段包括分析计算、地面试验和飞行试验等三种。在地球上空进行的飞行试验虽然很重要，但它也并不能完全模拟火星EDL的真实情况，而进行火星上的飞行试验的机会，少之又少。因此，要促使这些技术逐步走向成熟，其难度肯定很大。对此，兰利研究中心的载人火星探索任务EDL项目的主管米歇尔•孟克在给美国国家研究委员会提交的报告中认为，未来的载人火星探索任务正面临EDL技术的严峻挑战，突破这些关键技术，将需要超过20年的时间。由此可见，中国在载人火星探索EDL技术方面，应该及早启动全面、系统的预研工作。