周一 · 知古通今|周二 · 牧夫?qū)?/p>

周三 · 風月同天|周四 · 觀測指南

周五 · 深空探測|周六 · 茶余星話|周日 · 太空探索

主譯：澄

校譯：遠山真理

審核：牧夫天文校對組

美編：張少巖

后臺：李子琦

https://cosmos.isas.jaxa.jp/ja/avoiding-the-7-minutes-of-terror-the-next-generation-of-space-technology-to-head-to-mars-ja/

2024 年 11 月 14 日午前，觀測火箭 S-520-34 號發(fā)射升空。雖然只是短暫的飛行，但卻進行了次世代宇宙技術(shù)的實驗。

與此同時，在相模原校區(qū)的宇宙科學探查交流館內(nèi)，陸續(xù)到訪的來客們參觀著宇宙科學相關(guān)技術(shù)開發(fā)的歷史。在館內(nèi)深處房間的展示柜前，許多人駐足停留，注視著四個看起來宛如飛盤的物品。留有傷痕的上下兩個部件曾是保護宇宙樣本容器的熱屏蔽罩，除了該樣本容器外，里面還裝有通過火工品釋放的降落傘。

展示在日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）相模原校區(qū)的宇宙科學探測交流大樓的 “游隼 2 號” 再入大氣層的返回艙和降落傘。（※展示室內(nèi)的返回艙禁止拍攝，敬請諒解。）

將這些部件組裝起來，就成為了 “游隼2 號” 在從地球大氣層高速下落時，保護其采集的小行星粒子免受氣動加熱（高速進入大氣層的物體周圍空氣因絕熱壓縮而變得高溫的現(xiàn)象）影響的再入艙。焦黑的屏蔽罩上有幾道交叉的鋸齒狀線條，這些線條也是人類首次在小行星上兩處采集樣本并將其帶回地球的證明。然而，山田和彥準教授卻略顯擔憂。

“如果是火星的話，這個可能行不通。” 山田準教授一邊思考一邊說道，“因為火星稀薄的大氣無法充分起到制動作用。”

火星的大氣密度約為地球大氣的 1/100。在這樣稀薄的大氣環(huán)境下，進入行星大氣的物體所經(jīng)歷的極高溫度的氣動加熱會有所減輕，但物體的下降速度減小效果卻遠不及地球。應(yīng)對之策是大幅增大降落傘，以產(chǎn)生更多的阻力。但是，物體在稀薄大氣中急速下落意味著必須冒著讓降落傘在超音速狀態(tài)下展開的風險，并且在接近地表時，還需要使用推進器來將速度減速到安全水平。正因如此，火星著陸流程被認為是火星探測中技術(shù)難度最高的部分之一。

描繪了美國國家航空航天局（NASA）的“毅力號”火星探測器為在2021年登陸火星的主要里程碑的插圖。在這個被稱為“恐怖7分鐘”的過程中，必須完美且及時地執(zhí)行數(shù)百個重要事件。圖中描繪了大氣進入、降落傘展開、隔熱罩分離、動力下降，以及空中吊車將火星車安全著陸所需的過程。(圖源NASA/JPL - 加州理工學院)

即便是完成了這一壯舉的 NASA 火星探測車團隊，也將火星著陸稱為 “恐怖的 7 分鐘”。那么，如果存在一種全新的技術(shù)，能夠避開 “恐怖的 7 分鐘”，并以低成本實現(xiàn)火星著陸探測的輕量化，今后會發(fā)生怎樣的變化呢？

在相模原校區(qū)交流館的另一側(cè)，宇宙飛行工學研究系的房間里有一個圓形的大型膜結(jié)構(gòu)物體。茶色的布料如絲綢般光滑輕盈，外側(cè)有著類似游泳圈的可充氣環(huán)延伸。乍一看，它像是在海灘上玩耍的東西，但這個奇特的 “游泳圈” 卻是新一代的大氣進入裝置。

這個 “使用展開型柔性氣動外殼的觀測火箭實驗數(shù)據(jù)回收模塊” 被稱為 “RATS”（拉茨）。RATS 是取代 “游隼 2 號” 所使用的配備硬殼的樣本返回艙的裝置，它可以折疊收納，也可以通過向充氣環(huán)注入氣體來使其膨脹，是一種具有柔性的氣動外殼（承受大氣層進入機體所受的熱和空氣動力的外殼）。

“火箭上搭載著小型高壓氣瓶，” 率領(lǐng) RATS 開發(fā)團隊的山田準教授解釋道，“當需要展開氣動外殼時，取下折疊好的氣動外殼的金屬蓋，在氣瓶上打個孔，從而向游泳圈部分注入氣體。由于宇宙空間是真空環(huán)境，注入氣體后它會迅速膨脹。”

使用展開式柔性氣動外殼的觀測火箭實驗數(shù)據(jù)回收模塊（RATS），通過使圓環(huán)膨脹，可在大氣層中緩慢下降并抵達地面。

在宇宙中給游泳圈充氣看似簡單，但要確保柔性氣動外殼不被損壞并非易事。在 RATS 的質(zhì)量測試中，要求在對氣動外殼進行多次折疊、施加壓力、進行振動測試后再使其膨脹，在此過程中氣動外殼，尤其是充氣部分不能出現(xiàn)破損。氣動外殼的材料還需要具備耐熱度、柔韌性以及大氣層進入所需水平的結(jié)構(gòu)強度。

RATS目前被用于在高度約300公里的宇宙環(huán)境中進行的觀測火箭實驗，實驗結(jié)束后則會向海洋墜落。在觀測火箭重新進入大氣層之前，膨脹的 RATS 會分離，并在緩緩下落的過程中，將實驗數(shù)據(jù)安全地帶回地面。

在2021 年的實驗中，直徑 1.2 米的 RATS 墜落在海面上被回收，觀測火箭 S-520-31 號獲取的數(shù)據(jù)也被順利帶回。RATS 返回模塊的重量不足 5 公斤，由于有浮力環(huán)，還能應(yīng)對著水情況。由于膜面能減緩在大氣中的下降速度，因此無需額外的降落傘。

在兩個并排的展開式氣殼中，左邊的是直徑2.5米的氣殼（RATS-L），右邊的是直徑1.2米的氣殼。

此外，根據(jù)要運輸?shù)叫行潜砻娴挠行лd荷（貨物）的質(zhì)量，可以適當設(shè)計 RATS 氣動外殼展開時的尺寸。有效載荷越重，就越需要大型的氣動外殼來避免大氣層進入時的高速下落，但這樣做也能減輕在大氣中通過時產(chǎn)生的氣動加熱，并減少有效載荷撞擊地面時的沖擊力。另一方面，氣動外殼太大就會在結(jié)構(gòu)上變得脆弱，因此需要在這些因素之間權(quán)衡來進行設(shè)計。

通過調(diào)整氣動外殼的尺寸，包括火星這種高難度情況在內(nèi)，RATS 也能夠在其他行星上著陸。山田準教授期待著有朝一日能利用 RATS 將小型著陸器送達火星，為實現(xiàn)更輕量化、低成本的火星探測開辟道路。為了有效利用火星的稀薄大氣，山田準教授的團隊進行了直徑更大的 2.5 米的 RATS-L 實驗。大型降落傘在到達低高度（且大氣密度高）之前無法展開傘蓋，但與之不同的是，RATS 氣動外殼會在進入大氣層之前膨脹。通過在高高度展開，即使在稀薄的大氣中也能減速，避免劇烈的氣動加熱，因此無需在超音速狀態(tài)下展開降落傘，也無需為著陸進行充分減速的額外推進器等。

“也就是說，飛行過程中什么都不用做。” 山田準教授說道，“RATS 的情況是，只需等待著陸，而不是需要完美執(zhí)行自主流程的‘恐怖的 7 分鐘’。”

由搭載在火箭上的 360° 攝像頭拍攝到的分離后的 RATS-L 的情況

RATS-L 在觀測火箭 S-520-33 號的飛行中取得成功，并順利在海上著水。目前 RATS 能運載的有效載荷上限約為數(shù)公斤，但山田準教授表示，隨著今后的開發(fā)，若耐熱性和強度等得到提升，或許能運載數(shù)十公斤左右的載荷。不過，對于像 NASA 火星探測車那樣的大型物體，僅靠 RATS 單體能否運載，若沒有某種技術(shù)突破或重大的設(shè)計轉(zhuǎn)變，會很困難。

另外，由于返回時以超高速進入地球大氣層所產(chǎn)生的氣動加熱超過了 RATS 的承受能力，因此它也不適合將深空的樣本帶回地球。對于這種情況，設(shè)計成能耐受高溫且有實際業(yè)績的艙體形狀、熱屏蔽罩和降落傘系統(tǒng)才是合適的選擇。

“這兩項技術(shù)是相輔相成的。” 山田準教授解釋道，“RATS 適合用于需要著水且在下降過程中不會達到很高速度的觀測火箭實驗，以及需要解決因大氣稀薄而產(chǎn)生課題的火星著陸探測。

回收船吊起RATS-L的樣子

2021 年 RATS 搭載在觀測火箭 S-520-31 號上進行的首次宇宙飛行，不僅僅是對未來宇宙技術(shù)的驗證。RATS 還完成了一項實際任務(wù)，將記錄了旋轉(zhuǎn)（旋回型）爆震發(fā)動機系統(tǒng)（稱為 RDE 或 DES）世界首次宇宙飛行驗證的數(shù)據(jù)芯片帶回了地面。

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機是一種在圓筒形燃燒室內(nèi)，利用高速移動的沖擊波依次點燃新注入的推進劑，并使其持續(xù)燃燒的裝置。這種設(shè)計有望實現(xiàn)比以往小得多的火箭發(fā)動機，從而進一步降低宇宙探測的門檻。

在這次實驗中，RATS 帶回了記錄觀測火箭飛行詳細情況的數(shù)據(jù)芯片。數(shù)據(jù)顯示，觀測火箭上搭載的固體燃料燃燒完畢后，順利切換到了 DES。取得巨大成功的 DES 經(jīng)過改造，已為 2024 年下半年進行最新版本的實驗做好了準備。

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機（RDE）在宇宙空間中首次運行的瞬間。畫面左側(cè)的橢圓形發(fā)光部分是雙圓筒型旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機的燃燒器部分。推力約為500N。畫面右側(cè)是從宇宙空間拍攝的地球。本圖像數(shù)據(jù)由配備展開式氣動外殼的再入膠囊RATS在海上回收。（名古屋大學/JAXA）

觀測火箭 S-520-34 號上搭載的 DES2，將推進劑從傳統(tǒng)的氣體改為液體燃料乙醇和氧化劑液化一氧化二氮。由于液體的密度比氣體高，因此火箭燃料箱能裝載更多的推進劑，這是一個重大的改進點。但是，液體自身沒有膨脹的力量，而且在宇宙空間中，從燃料箱中擠出燃料的重力也很微弱，因此將推進劑從燃料箱供給到燃燒室內(nèi)比使用氣體時更困難。為了實現(xiàn)這一點，采用了用氮氣加壓將液體推進劑壓到燃料箱底部，在此過程中推進劑和氧化劑保持液體狀態(tài)注入燃燒室內(nèi)，之后混合并由爆震波點燃的方式。

“DES2 的開發(fā)極具挑戰(zhàn)性。”DES 系列實驗的代表者、名古屋大學的笠原次郎教授這樣解釋道，“為了克服處理液體推進劑的困難，對推進劑供給系統(tǒng)的設(shè)計進行了大幅修改。”

此外，笠原教授的團隊將燃燒器從雙圓筒改為單圓筒。在單圓筒中，爆震波會沿著外壁移動。這不僅能簡化設(shè)計，還能避免內(nèi)圓筒冷卻這一傳統(tǒng)課題。搭載在 S-520-34 號上的 DES2 是世界上首次在宇宙空間中使用液體推進劑的驗證實驗。

乙醇-N2O 旋回型爆震發(fā)動機燃燒試驗情況（名古屋大學）

觀測火箭 S-520-34 號于 2024 年 11 月 14 日 11:30（日本時間）發(fā)射升空。飛行時間為 459 秒，最高高度達到 217 公里，進行了 DES2 以及展開型氣動外殼 RATS2 的實驗。

“觀測火箭的壽命很短，但對于執(zhí)行激動人心的任務(wù)來說時間足夠了。” 觀測火箭實驗小組組長羽生宏人教授說道，“在觀測火箭上，可以在宇宙環(huán)境中驗證先進技術(shù)，也可以觀測大氣現(xiàn)象。對于研究人員來說，接近近地軌道環(huán)境的最快方法就是觀測火箭。”

與 S-520-31 號一樣，觀測火箭 S-520-34 號起初由固體燃料驅(qū)動，途中切換到 DES2。液體推進劑正常燃燒，產(chǎn)生了 438 牛（牛頓）的推力。

“我們確認了液體推進爆震產(chǎn)生了推力！” 笠原教授如此報告，但他也表示，推力只是速報值，詳細情況正在確認中。

使用液體推進劑的另一個課題是，火箭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力會將液體推進劑壓向燃燒室的外壁，因此如何將燃料完全用盡是一個問題。由于這個實驗只能在宇宙空間中進行，因此要了解詳細情況，需要對觀測火箭實驗結(jié)果進行進一步分析。

搭載旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機系統(tǒng)（DES2）和展開式氣動外殼RATS2的觀測火箭S-520-34的實驗流程示意圖。(名古屋大學、JAXA)

DES2 取得了成功，但事后通過直升機在海域進行的搜索表明，并非一切都進展順利。DES2 驗證實驗的數(shù)據(jù)直接發(fā)送到了地面，但額外的信息包含在直徑 1.2 米的 RATS2 搭載的芯片中。氣動外殼成功從火箭分離，直到著水前都能發(fā)送位置信息。但是，當團隊到達該海域時，卻沒有發(fā)現(xiàn) RATS2 的任何蹤跡。據(jù)推測，這正中了 RATS 系統(tǒng)最大的擔憂之一，即充氣環(huán)出現(xiàn)了破洞。

“我們在 RATS 技術(shù)上遇到的難題之一，就是確保充氣部分不出現(xiàn)破洞。” 山田準教授解釋道，“目前已知的情況是，在向充氣部分注入氣體時，氣動外殼中途破損，無法充分注入氣體。RATS2 在這種狀態(tài)下從火箭分離并進入大氣層，但由于無法獲得足夠的空氣阻力，會以比預期更快的速度下落。”

RATS2 雖然著水了，但未能獲得足夠的浮力，氣動外殼似乎沉入了海中。這是一個令人遺憾的結(jié)果，但觀測火箭進行新技術(shù)實驗的目的，就是要了解所有可能出現(xiàn)的成果和課題。

“很遺憾，這次 RATS2 未能完成任務(wù)。” 山田準教授在承認這一點后，接著說道，“我深切體會到了要確保同樣的事情反復成功的難度。不過，從失敗中也能學到很多東西。我們希望盡快找出原因，采取對策，并在不降低開發(fā)速度的前提下，朝著下一次驗證試驗前進。”

展開式氣動外殼進入火星大氣層并將有效載荷運送到火星表面的想象圖。

笠原教授也將目光投向了旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機系統(tǒng)的下一步開發(fā)。在 34 號機中，推進劑的燃料箱使用了市售產(chǎn)品，但笠原教授確信，通過自己開發(fā)燃料箱能取得更好的成果。此外，雖然爆震波的旋轉(zhuǎn)運動能夠持續(xù)點燃新的燃料，但目前要維持波的穩(wěn)定性數(shù)分鐘以上仍然困難。

“我們也將致力于延長發(fā)動機的工作時間。” 笠原教授這樣說道，“為此，將開發(fā)包括熱控制系統(tǒng)在內(nèi)的發(fā)動機。此外，還在考慮將發(fā)動機集群化（通過將多個發(fā)動機捆綁來增強推力）。我們正以在衛(wèi)星軌道上進行爆震發(fā)動機的驗證實驗為目標，逐步推進計劃。”

山田準教授也將目光聚焦于以火星為目標的下一個階段 —— 軌道上的再入任務(wù)。

“展開型氣動外殼最終有望應(yīng)用于火星著陸器。” 山田準教授說道，“通過在觀測火箭上反復進行實驗，不斷熟練掌握技術(shù)，作為下一個技術(shù)驗證階段，正在考慮從近地軌道返回的任務(wù)。如果該技術(shù)驗證成功，我認為就能開辟通往火星的道路。”

觀測火箭實驗是一個得以窺見開發(fā)中宇宙技術(shù)的絕佳機會，也是一個能讓大家廣泛了解我們所擁有的革新性想法的場所。也許有一天，我們習以為常的行星間旅行，會使用旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機來提高運輸效率，或者乘坐充氣的 RATS 環(huán)降落在行星表面。

（原文：伊麗莎白·塔斯克/ 譯：磯邊真純）

責任編輯：甘林

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

微信公眾號：astronomycn

面紗星云: 古超新星遺跡的云氣絲

影像提供與版權(quán): Abdullah Alharbi

謝謝閱讀