为了活命,远离那个拍脑门的猪队友!
《火星救援》影片中,宇航员马克·沃特尼被困在火星,一场太空救援在火星上演。一番磨难之后,沃特尼终于坐上了火星上升载具(MAV),从火星表面起飞。接下来的事情,看过电影的都知道——MAV没能飞到预定的交会地点,交会速度也远远低于赶回来救援的赫尔墨斯号飞船。好在,经过了一系列脑洞大开的努力,沃特尼才终于化险为夷平安获救。
电影里没有明确说明,到底是哪里出了问题,导致从火星表面起飞的MAV没能按原计划与赫尔墨斯号会合。不过,电影里的场景其实给出了暗示:为了减轻重量以便赶上赫尔墨斯号飞掠火星的高速度,沃特尼在NASA的指示下对MAV进行了大刀阔斧的改造。用沃特尼的话来说,NASA打算让他坐着敞篷车上太空。不只是窗户被拆掉了,连火箭最顶端流线形的部件都被丢弃,改用万能的帐篷来简单遮盖。
于是,在电影中,发射升空的MAV速度不断增加,帐篷也上下翻飞呼呼作响,最终支撑不住而被掀掉。这场戏就是电影里所作的铺垫。虽然电影里喷气推进实验室的负责人在建议如此改造MAV时解释说,火星大气比较稀薄,敞篷火箭仍然能够发射升空,但正是这层稀薄的大气扯掉了帐篷,也阻碍了沃特尼的飞船抵达预定高度。
在通常的火箭顶端,都能看到一个子弹头状的罩子,我们称之为整流罩。
它的目的是让气流更好地通过,达到降低阻力的作用。整流罩的用途非常广泛,火箭上的整流罩一般为蚌壳式结构,设计上要完美符合空气动力学特性。除了火箭之外,各种大气层内的飞行器都应当有一个完美的“头”和“身躯”,最大限度减少空气阻力造成的能量损失。当然如果推力足够,就算是砖头也能飞,但是这样的飞行器效费比非常差。
我们经常在科幻电影中看到各种单级入轨的空天飞机、宇宙战舰,它们对空气动力性能的考虑并不多,因为它们的动力足够强大。
在航天器的设计中,载人飞船的气动性能主要在降落时体现,因此它的设计倾向于如何利用空气阻力达到减速的目的。我国的神舟系列载人飞船、NASA的猎户座飞船都以再入大气层为出发点,因此设计上仍然要遵循空气动力性能。而国际空间站和《火星救援》中的赫尔墨斯号飞船就没有这个要求,外形可谓是五花八门,甚至还设计了环状的人造重力场分段,因为太空中飞行不需要考虑气动问题。
那么,设计出了一个航天器(或者像电影里把MAV改造成敞篷车)之后,如何检验它的外形是否具有优异的气动性能呢?主要方式就是,使用各种风洞进行测试,在地面模拟火箭和飞船发射、再入大气层时遇到的气流,以及空中各种复杂的飞行状态下的流场情况。简单的说,风洞就是在地面上人为地创造一个“天空”。
可以认为,风洞实验是航天器研制中一个不可或缺的组分部分,没有无数次风洞大数据的积累,我们无法掌握航天器可能遇到的情况。
风洞实验是航天器研制工作中一个不可缺少的组成部分。但是让沃特尼在火星上造出一个风洞来检验他的敞篷火箭,这显然是不现实的,甚至要比火星上种土豆还不现实。这就给最后他从火星上发射升空时出现状况埋下了伏笔。当然,NASA在地球上是有风洞实验室的,造出一个敞篷MAV的模型加以检验应该也不困难,甚至是必须要作的事情。这部分情节电影里没有展现,原著里也没有提到,我们就当这是一个差一点致命的疏忽好了。
就算是在地球上,物理风洞也存在着设计周期长、代价高的问题,每次物理风洞执行一次实验,都需要漫长的准备期和巨额的实验经费,风洞试验进行期间的耗电量巨大而导致停电,更给风洞周边城镇居民的生活和生产带来极大的不便。
仿真风洞则很好地解决了这个问题,在计算机上建立一个集流体动力学计算、可视化以及三维交互等功能于一体的基于虚拟环境的风洞模型,这样可以在理论计算和分析的基础上动态模拟分型部件在风洞中的实际情况,从而不断修改、优化部件形态。
目前,中国载人航天工程中就使用了由联想科技助力建造的中国载人航天工程总体仿真实验室。在航天器仿真风洞中,后台联想服务器需要进行高负荷的密集运算来模拟物理风洞实验的条件,而前台的ThinkStation工作站进行实时渲染,生成可视化界面,除了需要强大的性能支持外,也需要稳定可靠的品质,避免宕机风险。
仿真风洞实验的应用,大量节省了实验经费,也大大缩短了计算周期,提高了航天器设计的可靠性。
设想,虽然沃特尼没办法把他的敞篷MAV放到一个真正的风洞中检验气动性能,但如果他有办法扫描出一个精确的模型,传回地球扔到这样一个仿真风洞里模拟实验的话,就算没办法对MAV的外形再作任何优化,也能够更加清楚它从火星上发射时会受到多大的阻力,进而准确测算出赫尔墨斯号与它交会的时间和地点——至少也不会像电影里那样,偏差出去好几十公里。
当然,这样一来,电影《火星救援》最后那场惊心动魄的动作戏,什么炸毁赫尔墨斯号的气匣室减速啦、像“钢铁侠”一样的飞行啦……恐怕就都看不到咯~