“恐怖的 7 分钟” 已成为过去：借助次世代宇宙技术向火星着陆迈进

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主译：澄

校译：遠山真理

审核：牧夫天文校对组

美编：张少岩

后台：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，观测火箭 S-520-34 号发射升空。虽然只是短暂的飞行，但却进行了次世代宇宙技术的实验。

与此同时，在相模原校区的宇宙科学探查交流馆内，陆续到访的来客们参观着宇宙科学相关技术开发的历史。在馆内深处房间的展示柜前，许多人驻足停留，注视着四个看起来宛如飞盘的物品。留有伤痕的上下两个部件曾是保护宇宙样本容器的热屏蔽罩，除了该样本容器外，里面还装有通过火工品释放的降落伞。

展示在日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）相模原校区的宇宙科学探测交流大楼的 “游隼 2 号” 再入大气层的返回舱和降落伞。（※展示室内的返回舱禁止拍摄，敬请谅解。）

将这些部件组装起来，就成为了 “游隼2 号” 在从地球大气层高速下落时，保护其采集的小行星粒子免受气动加热（高速进入大气层的物体周围空气因绝热压缩而变得高温的现象）影响的再入舱。焦黑的屏蔽罩上有几道交叉的锯齿状线条，这些线条也是人类首次在小行星上两处采集样本并将其带回地球的证明。然而，山田和彦准教授却略显担忧。

“如果是火星的话，这个可能行不通。” 山田准教授一边思考一边说道，“因为火星稀薄的大气无法充分起到制动作用。”

火星的大气密度约为地球大气的 1/100。在这样稀薄的大气环境下，进入行星大气的物体所经历的极高温度的气动加热会有所减轻，但物体的下降速度减小效果却远不及地球。应对之策是大幅增大降落伞，以产生更多的阻力。但是，物体在稀薄大气中急速下落意味着必须冒着让降落伞在超音速状态下展开的风险，并且在接近地表时，还需要使用推进器来将速度减速到安全水平。正因如此，火星着陆流程被认为是火星探测中技术难度最高的部分之一。

描绘了美国国家航空航天局（NASA）的“毅力号”火星探测器为在2021年登陆火星的主要里程碑的插图。在这个被称为“恐怖7分钟”的过程中，必须完美且及时地执行数百个重要事件。图中描绘了大气进入、降落伞展开、隔热罩分离、动力下降，以及空中吊车将火星车安全着陆所需的过程。(图源NASA/JPL - 加州理工学院)

即便是完成了这一壮举的 NASA 火星探测车团队，也将火星着陆称为 “恐怖的 7 分钟”。那么，如果存在一种全新的技术，能够避开 “恐怖的 7 分钟”，并以低成本实现火星着陆探测的轻量化，今后会发生怎样的变化呢？

在相模原校区交流馆的另一侧，宇宙飞行工学研究系的房间里有一个圆形的大型膜结构物体。茶色的布料如丝绸般光滑轻盈，外侧有着类似游泳圈的可充气环延伸。乍一看，它像是在海滩上玩耍的东西，但这个奇特的 “游泳圈” 却是新一代的大气进入装置。

这个 “使用展开型柔性气动外壳的观测火箭实验数据回收模块” 被称为 “RATS”（拉茨）。RATS 是取代 “游隼 2 号” 所使用的配备硬壳的样本返回舱的装置，它可以折叠收纳，也可以通过向充气环注入气体来使其膨胀，是一种具有柔性的气动外壳（承受大气层进入机体所受的热和空气动力的外壳）。

“火箭上搭载着小型高压气瓶，” 率领 RATS 开发团队的山田准教授解释道，“当需要展开气动外壳时，取下折叠好的气动外壳的金属盖，在气瓶上打个孔，从而向游泳圈部分注入气体。由于宇宙空间是真空环境，注入气体后它会迅速膨胀。”

使用展开式柔性气动外壳的观测火箭实验数据回收模块（RATS），通过使圆环膨胀，可在大气层中缓慢下降并抵达地面。

在宇宙中给游泳圈充气看似简单，但要确保柔性气动外壳不被损坏并非易事。在 RATS 的质量测试中，要求在对气动外壳进行多次折叠、施加压力、进行振动测试后再使其膨胀，在此过程中气动外壳，尤其是充气部分不能出现破损。气动外壳的材料还需要具备耐热度、柔韧性以及大气层进入所需水平的结构强度。

RATS目前被用于在高度约300公里的宇宙环境中进行的观测火箭实验，实验结束后则会向海洋坠落。在观测火箭重新进入大气层之前，膨胀的 RATS 会分离，并在缓缓下落的过程中，将实验数据安全地带回地面。

在2021 年的实验中，直径 1.2 米的 RATS 坠落在海面上被回收，观测火箭 S-520-31 号获取的数据也被顺利带回。RATS 返回模块的重量不足 5 公斤，由于有浮力环，还能应对着水情况。由于膜面能减缓在大气中的下降速度，因此无需额外的降落伞。

在两个并排的展开式气壳中，左边的是直径2.5米的气壳（RATS-L），右边的是直径1.2米的气壳。

此外，根据要运输到行星表面的有效载荷（货物）的质量，可以适当设计 RATS 气动外壳展开时的尺寸。有效载荷越重，就越需要大型的气动外壳来避免大气层进入时的高速下落，但这样做也能减轻在大气中通过时产生的气动加热，并减少有效载荷撞击地面时的冲击力。另一方面，气动外壳太大就会在结构上变得脆弱，因此需要在这些因素之间权衡来进行设计。

通过调整气动外壳的尺寸，包括火星这种高难度情况在内，RATS 也能够在其他行星上着陆。山田准教授期待着有朝一日能利用 RATS 将小型着陆器送达火星，为实现更轻量化、低成本的火星探测开辟道路。为了有效利用火星的稀薄大气，山田准教授的团队进行了直径更大的 2.5 米的 RATS-L 实验。大型降落伞在到达低高度（且大气密度高）之前无法展开伞盖，但与之不同的是，RATS 气动外壳会在进入大气层之前膨胀。通过在高高度展开，即使在稀薄的大气中也能减速，避免剧烈的气动加热，因此无需在超音速状态下展开降落伞，也无需为着陆进行充分减速的额外推进器等。

“也就是说，飞行过程中什么都不用做。” 山田准教授说道，“RATS 的情况是，只需等待着陆，而不是需要完美执行自主流程的‘恐怖的 7 分钟’。”

由搭载在火箭上的 360° 摄像头拍摄到的分离后的 RATS-L 的情况

RATS-L 在观测火箭 S-520-33 号的飞行中取得成功，并顺利在海上着水。目前 RATS 能运载的有效载荷上限约为数公斤，但山田准教授表示，随着今后的开发，若耐热性和强度等得到提升，或许能运载数十公斤左右的载荷。不过，对于像 NASA 火星探测车那样的大型物体，仅靠 RATS 单体能否运载，若没有某种技术突破或重大的设计转变，会很困难。

另外，由于返回时以超高速进入地球大气层所产生的气动加热超过了 RATS 的承受能力，因此它也不适合将深空的样本带回地球。对于这种情况，设计成能耐受高温且有实际业绩的舱体形状、热屏蔽罩和降落伞系统才是合适的选择。

“这两项技术是相辅相成的。” 山田准教授解释道，“RATS 适合用于需要着水且在下降过程中不会达到很高速度的观测火箭实验，以及需要解决因大气稀薄而产生课题的火星着陆探测。

回收船吊起RATS-L的样子

2021 年 RATS 搭载在观测火箭 S-520-31 号上进行的首次宇宙飞行，不仅仅是对未来宇宙技术的验证。RATS 还完成了一项实际任务，将记录了旋转（旋回型）爆震发动机系统（称为 RDE 或 DES）世界首次宇宙飞行验证的数据芯片带回了地面。

旋转爆震发动机是一种在圆筒形燃烧室内，利用高速移动的冲击波依次点燃新注入的推进剂，并使其持续燃烧的装置。这种设计有望实现比以往小得多的火箭发动机，从而进一步降低宇宙探测的门槛。

在这次实验中，RATS 带回了记录观测火箭飞行详细情况的数据芯片。数据显示，观测火箭上搭载的固体燃料燃烧完毕后，顺利切换到了 DES。取得巨大成功的 DES 经过改造，已为 2024 年下半年进行最新版本的实验做好了准备。

旋转爆震发动机（RDE）在宇宙空间中首次运行的瞬间。画面左侧的椭圆形发光部分是双圆筒型旋转爆震发动机的燃烧器部分。推力约为500N。画面右侧是从宇宙空间拍摄的地球。本图像数据由配备展开式气动外壳的再入胶囊RATS在海上回收。（名古屋大学/JAXA）

观测火箭 S-520-34 号上搭载的 DES2，将推进剂从传统的气体改为液体燃料乙醇和氧化剂液化一氧化二氮。由于液体的密度比气体高，因此火箭燃料箱能装载更多的推进剂，这是一个重大的改进点。但是，液体自身没有膨胀的力量，而且在宇宙空间中，从燃料箱中挤出燃料的重力也很微弱，因此将推进剂从燃料箱供给到燃烧室内比使用气体时更困难。为了实现这一点，采用了用氮气加压将液体推进剂压到燃料箱底部，在此过程中推进剂和氧化剂保持液体状态注入燃烧室内，之后混合并由爆震波点燃的方式。

“DES2 的开发极具挑战性。”DES 系列实验的代表者、名古屋大学的笠原次郎教授这样解释道，“为了克服处理液体推进剂的困难，对推进剂供给系统的设计进行了大幅修改。”

此外，笠原教授的团队将燃烧器从双圆筒改为单圆筒。在单圆筒中，爆震波会沿着外壁移动。这不仅能简化设计，还能避免内圆筒冷却这一传统课题。搭载在 S-520-34 号上的 DES2 是世界上首次在宇宙空间中使用液体推进剂的验证实验。

乙醇-N2O 旋回型爆震发动机燃烧试验情况（名古屋大学）

观测火箭 S-520-34 号于 2024 年 11 月 14 日 11:30（日本时间）发射升空。飞行时间为 459 秒，最高高度达到 217 公里，进行了 DES2 以及展开型气动外壳 RATS2 的实验。

“观测火箭的寿命很短，但对于执行激动人心的任务来说时间足够了。” 观测火箭实验小组组长羽生宏人教授说道，“在观测火箭上，可以在宇宙环境中验证先进技术，也可以观测大气现象。对于研究人员来说，接近近地轨道环境的最快方法就是观测火箭。”

与 S-520-31 号一样，观测火箭 S-520-34 号起初由固体燃料驱动，途中切换到 DES2。液体推进剂正常燃烧，产生了 438 牛（牛顿）的推力。

“我们确认了液体推进爆震产生了推力！” 笠原教授如此报告，但他也表示，推力只是速报值，详细情况正在确认中。

使用液体推进剂的另一个课题是，火箭旋转产生的离心力会将液体推进剂压向燃烧室的外壁，因此如何将燃料完全用尽是一个问题。由于这个实验只能在宇宙空间中进行，因此要了解详细情况，需要对观测火箭实验结果进行进一步分析。

搭载旋转爆震发动机系统（DES2）和展开式气动外壳RATS2的观测火箭S-520-34的实验流程示意图。(名古屋大学、JAXA)

DES2 取得了成功，但事后通过直升机在海域进行的搜索表明，并非一切都进展顺利。DES2 验证实验的数据直接发送到了地面，但额外的信息包含在直径 1.2 米的 RATS2 搭载的芯片中。气动外壳成功从火箭分离，直到着水前都能发送位置信息。但是，当团队到达该海域时，却没有发现 RATS2 的任何踪迹。据推测，这正中了 RATS 系统最大的担忧之一，即充气环出现了破洞。

“我们在 RATS 技术上遇到的难题之一，就是确保充气部分不出现破洞。” 山田准教授解释道，“目前已知的情况是，在向充气部分注入气体时，气动外壳中途破损，无法充分注入气体。RATS2 在这种状态下从火箭分离并进入大气层，但由于无法获得足够的空气阻力，会以比预期更快的速度下落。”

RATS2 虽然着水了，但未能获得足够的浮力，气动外壳似乎沉入了海中。这是一个令人遗憾的结果，但观测火箭进行新技术实验的目的，就是要了解所有可能出现的成果和课题。

“很遗憾，这次 RATS2 未能完成任务。” 山田准教授在承认这一点后，接着说道，“我深切体会到了要确保同样的事情反复成功的难度。不过，从失败中也能学到很多东西。我们希望尽快找出原因，采取对策，并在不降低开发速度的前提下，朝着下一次验证试验前进。”

展开式气动外壳进入火星大气层并将有效载荷运送到火星表面的想象图。

笠原教授也将目光投向了旋转爆震发动机系统的下一步开发。在 34 号机中，推进剂的燃料箱使用了市售产品，但笠原教授确信，通过自己开发燃料箱能取得更好的成果。此外，虽然爆震波的旋转运动能够持续点燃新的燃料，但目前要维持波的稳定性数分钟以上仍然困难。

“我们也将致力于延长发动机的工作时间。” 笠原教授这样说道，“为此，将开发包括热控制系统在内的发动机。此外，还在考虑将发动机集群化（通过将多个发动机捆绑来增强推力）。我们正以在卫星轨道上进行爆震发动机的验证实验为目标，逐步推进计划。”

山田准教授也将目光聚焦于以火星为目标的下一个阶段 —— 轨道上的再入任务。

“展开型气动外壳最终有望应用于火星着陆器。” 山田准教授说道，“通过在观测火箭上反复进行实验，不断熟练掌握技术，作为下一个技术验证阶段，正在考虑从近地轨道返回的任务。如果该技术验证成功，我认为就能开辟通往火星的道路。”

观测火箭实验是一个得以窥见开发中宇宙技术的绝佳机会，也是一个能让大家广泛了解我们所拥有的革新性想法的场所。也许有一天，我们习以为常的行星间旅行，会使用旋转爆震发动机来提高运输效率，或者乘坐充气的 RATS 环降落在行星表面。

（原文：伊丽莎白·塔斯克/ 译：矶边真纯）

责任编辑：甘林

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