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如何科学地表演“铁锅炖自己”

来源:本站原创 浏览:159次 时间:2021-05-19

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。

从上到下:毅力号(火星2020任务)的巡航级、背壳、下降级、毅力号火星车和隔热罩

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(The Mars Science Laboratory Entry Descent and Landing Instrument 2)。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。

毅力号火星车隔热大底及其上安装的MEDLI2。紫铜色线路是MEDLI2的布线,线路连接了控制器盒与各传感器

众所周知,毅力号火星车是好奇号火星车的亲兄弟,二者的设计基本一样。MEDLI2与好奇号火星车的MEDLI也是基本相同的。MEDLI主要用于测量着陆器进入火星大气层时的空气热环境、隔热罩浅表面的材料性能、大气层密度、以及帮助着陆器稳定方向。它会在着陆器进入火星大气前五个小时左右开机,一直工作到着陆器的超音速降落伞展开后约10秒,并在隔热罩分离前的几秒完全关机。

刚刚分离的隔热罩,与安装在其上的MEDLI2。图片为毅力号火星车着陆过程中实际拍摄

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。

MEDLI2安装在隔热罩背面的压力传感器

铁锅的压力

压力传感器测量的是隔热罩上的压力,隔热罩是着陆器的迎风面,直观地想,隔热罩上的压力应该会和着陆器的迎风速度、火星大气层的密度正相关。

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。在图线中的①段,着陆器进行了数次旋转机动,用于调整气动指向,导致压力发生波动。在图线中的②段,着陆器抛出了数个配重块,通过改变重心调整了自身的姿态,姿态的改变导致了表面压力的改变。到图线的③段,超音速降落伞打开,速度急剧降低,压力也随之急剧降低。不到10秒,MEDLI2关机,数据中断。

在这之后,毅力号火星车会先抛掉“铁锅”隔热罩,再抛掉“锅盖”背壳,然后靠反推火箭和天空吊车慢慢着陆。

隔热罩与着陆器通过火工品(爆炸螺栓)连接,在分离前,热切割器先烧断MEDLI2和火星车之间的数据线,随后爆炸螺栓把隔热罩扔出去

铁锅的温度


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