如何科学地表演“铁锅炖自己”

作者: 愿开心

来源: 中科院地质地球所

发布日期: 2021-04-14

NASA的火星2020任务中,毅力号火星车通过其隔热罩和背壳成功进入火星大气层,并记录了关键的温压数据。这些数据由MEDLI2系统收集,包括热电偶、热流计和压力传感器,用于评估隔热罩和背壳的性能。实验结果显示,隔热罩的烧蚀剂使用量可能需要重新评估,以优化未来的火星探测任务。

NASA的火星2020任务,毅力号火星车,着陆已经有一个多月了,相关的科研任务正在开展,美国的科学家和工程师们也开始了对数据的初步分析。出乎小编意料的是,最早一批科学数据产出,居然包含了毅力号“铁锅炖自己”的关键数据!所谓“铁锅炖自己”中的“铁锅”,指的是毅力号的“隔热罩”;这口铁锅还有一个“锅盖”,就是毅力号的“背壳”。

毅力号在进入火星大气层时,高速与大气层摩擦并压缩前方的空气,导致这口锅被加热到数千摄氏度,压力也远高于静压,活像一只高压锅。

进入火星大气层的过程非常凶险,全靠这口大锅保护火星着陆器,因此,其性能至关重要。如何评估这套隔热罩和背壳的效果呢?NASA工程师在这层壳子上安装了很多温度和压力的传感器,及其管理系统,统称为MEDLI2。它记录了毅力号“铁锅炖自己”过程中,壳子各处的重要温压数据。4月1日,NASA在其官网上发布了工程师对这段数据的分析成果。

MEDLI2包含了三大类传感器,热电偶、热流计、压力传感器。这些传感器的数据经过预处理之后,会传输至毅力号火星车上暂存,等着陆成功,一切安全之后再回传地球。NASA发布的压力传感器数据曲线,纵轴是压力,横轴是数据的秒数。数据图既不清晰,也缺乏刻度,只能看个大概。图中可见,随着时间的推移(着陆过程的推进),压力在不断降低,呈现近似指数下降的规律——与此同时,速度也是随时间降低的。

毅力号与我国的天问一号设计不同,他是直接从火星的飞掠轨道降落到火星地面。因此,其进入火星大气层时的相对速度非常高,可以达到约5500米每秒,超过20倍火星声速,其降落过程可以说是非常“火花带闪电”。根据MEDLI2的测量,在隔热罩内,峰值温度达到了约1000℃,对应隔热罩外表面约1400℃。

这温度很高,而且会持续数分钟,一般来说,航天器再入大气层时,都会在隔热罩上覆盖厚厚的一层“烧蚀剂”来吸收和发散热量。可是火星探测器上,每一克质量的发射成本远超黄金,烧蚀剂带多了当然就是浪费。

整个实验做下来,可以说是收获颇丰,也可以说是毫无收获——布置的11个热电偶一个都没坏,说明隔热罩非常充分。换句话说,隔热罩上的烧蚀剂的量“需要重新评估”。下一次美国人的火星探测器的隔热罩,可能会再轻盈一些。

最近几个月以来,各路自媒体和官媒,已经为大家反复科普了,为什么美国的火星车是直接着陆的,而我们的火星车要在轨道上先观察三个月再着陆。一言以蔽之——美国人经验丰富。哪怕是这么一个不够完美的隔热罩,也是他们几十年技术迭代的结晶。我们中国人第一次造访火星,当然必须慎之又慎,哪怕不得不牺牲火星车的部分性能。

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