都是SpaceX惹的祸？NASA大幅度削减火星着陆技术研发经费

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2016-5-12 16:52 上传

还是老规矩，图文精排带视频的新闻还是放在我的公众号里，喜欢的可以关注下：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz= ... e=4#wechat_redirect

近日，美国国家航空航天局正式决定大幅度削减火星着陆技术演示项目（Mars landing technology demonstration project）2016财年的经费，从原有2000万美元削减至仅有300万美元，削减幅度高达85%。

现阶段火星表面探测最困难的一步，在于如何进入火星大气并平稳的着陆在火星表面上，也就是常说的进入、减速、着陆（Entry, Descent, and Landing，简称EDL），这一过程通常仅仅持续数分钟，但是首先由于长达几十分钟的信号延迟，地面对整个着陆过程无法施加任何干预和修正；另一方面火星大气的组成成分和分层结构与地球均不相同，加之火星大气的音速比地球高层大气低35%，导致其气动特性难以在地球进行精确的模拟实验；最后火星表面的各种地貌和尘暴也会影响着陆过程。这种种困难使得不少火星探测器在经历了漫长深空飞行后止步于火星茫茫大气中。而预计于2020年登陆火星的中国火星车也将面临这一巨大的挑战！

让我再借用一次JPL的视频解释一下EDL的过程

而说起NASA的火星着陆技术演示项目，主要用于探索一系列新的火星表面着陆技术，现阶段主要是低密度超音速减速项目（Low Density Supersonic Decelerator，简称LDSD，贯穿全文，请牢记），项目主要包括更大尺寸的超音速减速伞和充气式热防护盾两个部分，以应对未来更大规模的火星表面探索活动，包括更大质量的无人火星载荷投送甚至载人登火。之前人类投送至火星表面的最大质量物体就是好奇号火星车，重约一吨。但是面对未来的载人登火任务，NASA认为只有一次性能向火星表面投送10吨甚至更多的载荷才能满足要求。

NASA的新式大尺寸超音速减速伞和两种充气式热防护盾，用来代替从“海盗”号时代沿用至今的盘—缝—带结构伞

无辜躺枪的SpaceX

但是有人肯定要问，这项目经费被大砍一刀跟SpaceX有一毛钱关系？客观别着急，这就要从前一阵SpaceX正式宣布的2018年红龙火星着陆测试飞船任务说起。此次任务中红龙飞船要采用侧壁的八台SuperDraco发动机采用全程反推的方式实现火星着陆。

根据SpaceX公司之前为火星采样返回任务制定的技术方案中可以看出，红龙在火星着陆过程（EDL）主要分为三个阶段。首先是高超音速进入，飞船从进入火星大气后依靠飞船的气动外形和防热大底从高超音速减速至超音速。第二阶段是超音速反推，当飞船气动减速至约两马赫且距地面9到12公里时，飞船将自动启动8台超级天龙座发动机进行反推，迅速降低飞船速度。由于红龙具有100米的避障能力，最后的着陆阶段飞船将继续降低速度并调整落点，直至以三米每秒左右的速度着陆火星表面。

（想详细了解此次任务的可以点击文末查看原文回看本号过往文章《SpaceX真的要去火星了！——正式联合NASA发射“红龙”火星着陆测试飞船》）

国外网友制作的红龙EDL过程图，整个过程除了气动减速就是火箭反推，相较以往的着陆方案可谓创新

细心的人可以看出，红龙的着陆方案相对于NASA正在进行的LDSD着陆方案堪称是一种颠覆和挑战！既没有使用充气式热防护盾，也没有采用更大尺寸的超音速减速伞，但同样可以完成大质量载荷的火星表面投送，甚至在未来可以进行超音速减速伞无法完成的超大质量载荷投送（几十吨甚至上百吨级别，好吧，我是在说MCT）。

红龙在火星大气中反推减速的想象图

但是俗话说的好——是骡子是马拉出来遛遛，两种方案孰优孰劣，还是要拿事实说话，而问题就出在这里。

一方面是LDSD项目在2014年和2015年开展的两次高空试验中，大尺寸超音速减速伞实验均遭失败（下面详细说），而大尺寸减速伞作为轻质大型柔性体，难以进行精确的计算机仿真，通常只能依靠大量实验收集经验数据来进行拟合验证，但是现阶段即使是NASA也没有如此巨大的风洞来进行地面试验。这一切都为该项技术的未来应用蒙上了阴影。

然而另一方面SpaceX在猎鹰9火箭回收中的出色表现，尤其是近日完成的这次极限回收测试，使得其积累了堪称这个星球上最丰富的超音速反推经验和实验数据；另一方面采用“蜻蜓”（DragonFly）测试机进行的悬停实验和大量的SuperDraco试车；再加上NASA的喷气推进实验室JPL早早的就参与到了其研发过程，还有后续将在载人龙飞船任务中顺带开展的反推减速测试，使得红龙方案似乎是后来者居上。

猎鹰9一级在返回过程中其实就涉及了超音速反推过程，论起工况，其实比火星还要糟糕

年初进行的悬停实验

所以火星着陆技术演示项目经费的突遭削减，不免让人和SpaceX全程反推着陆方案的推出关联在一起，虽然没有任何明文证据显示NASA是因为红龙任务才砍了这一刀，但SpaceX肯定是脱不开干系的，正所谓——无论躺枪与否，都是你的错！

都是你的错你的错你的错！！！

两次失败的试验：

在之前美国实施火星探索项目中，超音速减速伞一直是必不可少的一部分，在探测器气动减速至2-4马赫左右时，大都是采用超音速减速伞来完成向亚音速的过渡过程。比如“好奇”号的减速伞是这辆火星车降落过程中所受到大气阻力的主要来源。这个减速伞直径64.7英尺(约合19.7米)，是一个盘缝带伞，由一个发射器打开。制动伞的主盘是一个圆顶形伞盖，顶部有一个洞，用于缓解空气压力。主盘下方有一个裂缝，充当通气口，防止伞盖破裂。裂缝下方是一条织物带，在设计上通过控制进气方向，提高横向稳定性。

好奇号的超音速减速伞

在地球上测试减速伞这样的“好奇”号重要组件并不是件容易的事情，因为火星大气的厚度只有地球的百分之一，引力只有地球的三分之一。在地球上模拟这些环境虽然能够做到，但费用极高。在“好奇”号研发初期，任何高空超音速测试的费用都会达到令人望而却步的程度。当时，喷气推进实验室JPL的工程师将减速伞的研究工作分为几个阶段，每个阶段独立进行测试，测试对象包括发射器打开、伞盖充气，充气后强度，超音速性能以及亚音速性能。幸运的是，从上世纪60年代晚期开始（海盗号1、2号的技术），宇航局就掌握了高空超音速降落伞的数据，所针对的探测器与“好奇”号体积相当。

美国各代火星表面探测器的减速伞数据，好奇号不在里面，但其直径最大，将近20米

而面对未来火星登陆，NASA需要更大更强的超音速减速伞和充气式热防护盾组合起来完成任务，而不是继续沿用60多年前“海盗号”的古老方式。

两年两次实验中采用的不同结构减速伞

NASA进行的地面测试

旋转测试前的减速装置

试验方案是采用气球将低密度超音速可膨胀可充气可展开减速伞（简称LDSD）装置升至地球高层大气，然后LDSD后端的火箭发动机点火，将LDSD加速至3.5马赫（3.5倍音速），随后LDSD展开充气式热防护盾进行减速测试，减速测试完成后打开超音速降落伞，将LDSD装置减速至亚音速，最终落海完成试验。

完整实验过程示意图

然而在2014、15年展开的两次试验中，充气式热防护盾都按照预期设计圆满完成了试验项目，但第二部分的超音速减速伞试验却均惨遭失败。第一次是因为超音速减速伞没有完全打开，第二次是因为减速伞刚一打开，顶部就被迅速撕裂。

当时测试的新闻报道，录像末尾清晰可见展开失败的减速伞

基本出局的超音速减速伞

超音速减速伞的连续失败使得这种减速方式在竞争中雪上加霜。而就在第二次LDSD试验开伞失败前，NASA的HAT小组（Human Architecture Team)召开了一个超音速降落伞研讨会，会议达成了一个基本共识——超音速降落伞不适用于在火星上着陆载人级载荷（>10吨）。这使得超音速减速伞在载人火星登陆任务中基本出局，而充气式热防护盾和超音速反推成为了未来火星任务的宠儿。这也正是2018红龙任务中NASA需要SpaceX的超音速反推数据来进行交换的原因之一。

目前NASA尚未决定是否进行第三次试验，而预算削减又进一步增加了该项目前景的不确定性，尤其是更大直径的超音速减速伞。人类未来的火星登陆任务中，大家应该很难看到迎风展开的巨大降落伞了。

而对于全程反推的红龙方案，SpaceX已经正式开始了全方位的实验和设计，虽然论及超音速反推技术，我想这个星球上已经没有比SpaceX更有经验的公司了。

但是未来会遇到什么样的困难，甚至是和超音速减速伞一样的挫折，都是未可知的。或许这就是登陆火星的正途，也可能只是另一条弯路。但无论如何，人类终究会踏上这颗红色星球，因为地球不能永远是人类的摇篮。

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还是老规矩，图文精排带视频的新闻还是放在我的公众号里，喜欢的可以关注下：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz= ... e=4#wechat_redirect

近日，美国国家航空航天局正式决定大幅度削减火星着陆技术演示项目（Mars landing technology demonstration project）2016财年的经费，从原有2000万美元削减至仅有300万美元，削减幅度高达85%。

现阶段火星表面探测最困难的一步，在于如何进入火星大气并平稳的着陆在火星表面上，也就是常说的进入、减速、着陆（Entry, Descent, and Landing，简称EDL），这一过程通常仅仅持续数分钟，但是首先由于长达几十分钟的信号延迟，地面对整个着陆过程无法施加任何干预和修正；另一方面火星大气的组成成分和分层结构与地球均不相同，加之火星大气的音速比地球高层大气低35%，导致其气动特性难以在地球进行精确的模拟实验；最后火星表面的各种地貌和尘暴也会影响着陆过程。这种种困难使得不少火星探测器在经历了漫长深空飞行后止步于火星茫茫大气中。而预计于2020年登陆火星的中国火星车也将面临这一巨大的挑战！

让我再借用一次JPL的视频解释一下EDL的过程

而说起NASA的火星着陆技术演示项目，主要用于探索一系列新的火星表面着陆技术，现阶段主要是低密度超音速减速项目（Low Density Supersonic Decelerator，简称LDSD，贯穿全文，请牢记），项目主要包括更大尺寸的超音速减速伞和充气式热防护盾两个部分，以应对未来更大规模的火星表面探索活动，包括更大质量的无人火星载荷投送甚至载人登火。之前人类投送至火星表面的最大质量物体就是好奇号火星车，重约一吨。但是面对未来的载人登火任务，NASA认为只有一次性能向火星表面投送10吨甚至更多的载荷才能满足要求。

NASA的新式大尺寸超音速减速伞和两种充气式热防护盾，用来代替从“海盗”号时代沿用至今的盘—缝—带结构伞

无辜躺枪的SpaceX

但是有人肯定要问，这项目经费被大砍一刀跟SpaceX有一毛钱关系？客观别着急，这就要从前一阵SpaceX正式宣布的2018年红龙火星着陆测试飞船任务说起。此次任务中红龙飞船要采用侧壁的八台SuperDraco发动机采用全程反推的方式实现火星着陆。

根据SpaceX公司之前为火星采样返回任务制定的技术方案中可以看出，红龙在火星着陆过程（EDL）主要分为三个阶段。首先是高超音速进入，飞船从进入火星大气后依靠飞船的气动外形和防热大底从高超音速减速至超音速。第二阶段是超音速反推，当飞船气动减速至约两马赫且距地面9到12公里时，飞船将自动启动8台超级天龙座发动机进行反推，迅速降低飞船速度。由于红龙具有100米的避障能力，最后的着陆阶段飞船将继续降低速度并调整落点，直至以三米每秒左右的速度着陆火星表面。

（想详细了解此次任务的可以点击文末查看原文回看本号过往文章《SpaceX真的要去火星了！——正式联合NASA发射“红龙”火星着陆测试飞船》）

国外网友制作的红龙EDL过程图，整个过程除了气动减速就是火箭反推，相较以往的着陆方案可谓创新

细心的人可以看出，红龙的着陆方案相对于NASA正在进行的LDSD着陆方案堪称是一种颠覆和挑战！既没有使用充气式热防护盾，也没有采用更大尺寸的超音速减速伞，但同样可以完成大质量载荷的火星表面投送，甚至在未来可以进行超音速减速伞无法完成的超大质量载荷投送（几十吨甚至上百吨级别，好吧，我是在说MCT）。

红龙在火星大气中反推减速的想象图

但是俗话说的好——是骡子是马拉出来遛遛，两种方案孰优孰劣，还是要拿事实说话，而问题就出在这里。

一方面是LDSD项目在2014年和2015年开展的两次高空试验中，大尺寸超音速减速伞实验均遭失败（下面详细说），而大尺寸减速伞作为轻质大型柔性体，难以进行精确的计算机仿真，通常只能依靠大量实验收集经验数据来进行拟合验证，但是现阶段即使是NASA也没有如此巨大的风洞来进行地面试验。这一切都为该项技术的未来应用蒙上了阴影。

然而另一方面SpaceX在猎鹰9火箭回收中的出色表现，尤其是近日完成的这次极限回收测试，使得其积累了堪称这个星球上最丰富的超音速反推经验和实验数据；另一方面采用“蜻蜓”（DragonFly）测试机进行的悬停实验和大量的SuperDraco试车；再加上NASA的喷气推进实验室JPL早早的就参与到了其研发过程，还有后续将在载人龙飞船任务中顺带开展的反推减速测试，使得红龙方案似乎是后来者居上。

猎鹰9一级在返回过程中其实就涉及了超音速反推过程，论起工况，其实比火星还要糟糕

年初进行的悬停实验

所以火星着陆技术演示项目经费的突遭削减，不免让人和SpaceX全程反推着陆方案的推出关联在一起，虽然没有任何明文证据显示NASA是因为红龙任务才砍了这一刀，但SpaceX肯定是脱不开干系的，正所谓——无论躺枪与否，都是你的错！

都是你的错你的错你的错！！！

两次失败的试验：

在之前美国实施火星探索项目中，超音速减速伞一直是必不可少的一部分，在探测器气动减速至2-4马赫左右时，大都是采用超音速减速伞来完成向亚音速的过渡过程。比如“好奇”号的减速伞是这辆火星车降落过程中所受到大气阻力的主要来源。这个减速伞直径64.7英尺(约合19.7米)，是一个盘缝带伞，由一个发射器打开。制动伞的主盘是一个圆顶形伞盖，顶部有一个洞，用于缓解空气压力。主盘下方有一个裂缝，充当通气口，防止伞盖破裂。裂缝下方是一条织物带，在设计上通过控制进气方向，提高横向稳定性。

好奇号的超音速减速伞

在地球上测试减速伞这样的“好奇”号重要组件并不是件容易的事情，因为火星大气的厚度只有地球的百分之一，引力只有地球的三分之一。在地球上模拟这些环境虽然能够做到，但费用极高。在“好奇”号研发初期，任何高空超音速测试的费用都会达到令人望而却步的程度。当时，喷气推进实验室JPL的工程师将减速伞的研究工作分为几个阶段，每个阶段独立进行测试，测试对象包括发射器打开、伞盖充气，充气后强度，超音速性能以及亚音速性能。幸运的是，从上世纪60年代晚期开始（海盗号1、2号的技术），宇航局就掌握了高空超音速降落伞的数据，所针对的探测器与“好奇”号体积相当。

美国各代火星表面探测器的减速伞数据，好奇号不在里面，但其直径最大，将近20米

而面对未来火星登陆，NASA需要更大更强的超音速减速伞和充气式热防护盾组合起来完成任务，而不是继续沿用60多年前“海盗号”的古老方式。

两年两次实验中采用的不同结构减速伞

NASA进行的地面测试

旋转测试前的减速装置

试验方案是采用气球将低密度超音速可膨胀可充气可展开减速伞（简称LDSD）装置升至地球高层大气，然后LDSD后端的火箭发动机点火，将LDSD加速至3.5马赫（3.5倍音速），随后LDSD展开充气式热防护盾进行减速测试，减速测试完成后打开超音速降落伞，将LDSD装置减速至亚音速，最终落海完成试验。

完整实验过程示意图

然而在2014、15年展开的两次试验中，充气式热防护盾都按照预期设计圆满完成了试验项目，但第二部分的超音速减速伞试验却均惨遭失败。第一次是因为超音速减速伞没有完全打开，第二次是因为减速伞刚一打开，顶部就被迅速撕裂。

当时测试的新闻报道，录像末尾清晰可见展开失败的减速伞

基本出局的超音速减速伞

超音速减速伞的连续失败使得这种减速方式在竞争中雪上加霜。而就在第二次LDSD试验开伞失败前，NASA的HAT小组（Human Architecture Team)召开了一个超音速降落伞研讨会，会议达成了一个基本共识——超音速降落伞不适用于在火星上着陆载人级载荷（>10吨）。这使得超音速减速伞在载人火星登陆任务中基本出局，而充气式热防护盾和超音速反推成为了未来火星任务的宠儿。这也正是2018红龙任务中NASA需要SpaceX的超音速反推数据来进行交换的原因之一。

目前NASA尚未决定是否进行第三次试验，而预算削减又进一步增加了该项目前景的不确定性，尤其是更大直径的超音速减速伞。人类未来的火星登陆任务中，大家应该很难看到迎风展开的巨大降落伞了。

而对于全程反推的红龙方案，SpaceX已经正式开始了全方位的实验和设计，虽然论及超音速反推技术，我想这个星球上已经没有比SpaceX更有经验的公司了。

但是未来会遇到什么样的困难，甚至是和超音速减速伞一样的挫折，都是未可知的。或许这就是登陆火星的正途，也可能只是另一条弯路。但无论如何，人类终究会踏上这颗红色星球，因为地球不能永远是人类的摇篮。