足球胜负预测(www.99cx.vip):为了闯过2000度高温,中美都正加紧测试的同款“防护罩”,竟是登陆火星的关键

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近几年来,美国宇航局(NASA)已经向火星发送了一些机器人,但到目前为止,有效载荷被限制在 1.5 吨左右,大约相当于一辆小型汽车的重量。然而,对于涉及人类的任务,需要更大的有效载荷,大约在20 吨上下。以人类现在的科技,有没有能力做到这么高的载荷呢?


当物体降落在有大气层的行星或月球上时,物体的速度和大气层的摩擦会产生大量的热量。这意味着通常需要隔热罩来保护有效载荷,方法是在下降时阻挡热量并减慢飞行器的速度。



周四上午,美国宇航局启动了充气减速器 (LOFTID) 的近地轨道飞行试验,并成功部署了一个直径20英尺的充气碟形隔热罩。它安全降落在距离夏威夷海岸约 500 英里的太平洋上。


与传统的刚性隔热罩必须以与下降相同的形式上升不同,这个新发射的充气隔热罩可以装入一个 4 英尺宽、18 英寸高的圆柱体中。由于其预先部署的尺寸很小,太空任务可以将更大的有效载荷运送到其他天体。


这个耗资9300万美元的项目由Neil Cheatwood博士领导,他说载人火星任务需要一个更大的充气隔热罩,直径约为9米。


该系统在穿过地球大气层后,还使用传统的减慢物体速度的方法,包括降落伞和反向推进器。


1、防热大底很好用,为何还要造充气式?


无论是美国的猎户座,还是中国的神舟系列,进入地球大气层都需要与空气高速剧烈摩擦,温度超过2000度。为了保护飞船,就需要一层防护材料,简单来说就是用隔热和烧蚀材料做个垫子和衣服,用于抵抗隔离摩擦的热量。


这种设计可以说是从航天一开始就使用的成熟技术,从阿波罗一种用到现在。使用之后,在飞船每秒7.8公里的高速摩擦下,飞船内部低于30度。


但是这种设计也有一些弊端,首先就是重量。整个飞船的系统结构,有约45%的重量用在了隔热防护上。其次,造价不低,一公斤烧蚀隔热材料售价8000块钱。第三是一次性,用完500多秒就废掉了。第四,对航天器外形要求严格,我们目前的航天器都是对称设计,外形也基本都是钟型,方便气动和热防护。第五,尺寸比较死板,不能太小也不能太大,只能跟着飞船外形走。


若是想进一步降低航天成本,就需要一种更轻、减速效果更好,还有更广泛适应能力的防热罩设备,最佳思路就是将其做成充气模式。


2、黑科技充气罩:充气式返回舱


该设备在国内的命名为“充气式返回舱”,顾名思义,就是在返回舱上安装一个充气式“降落伞”,以让返回舱能够完成减速,并成功着陆地球。


不过,需要注意的是,这个充气式降落伞的开伞时机,并不是在大气层之内,而是需要在大气之外打开。



这也就意味着,充气罩降落伞需要承受住返回舱与大气层的摩擦高温,须知这可是上千度的温度啊,寻常钢材在如此环境下,都会直接化成渣滓。


除此之外,因为需要在大气之外展开充气罩,充气状态与中空环境就势必产生压强差异,这对充气罩并非好兆头,毕竟气压一旦出现悬殊,那整个充气罩的稳定性将会受到极大的挑战。


因此,充气式返回舱的概念自上世纪60年代提出起,就一直处于紧张的研究之中,其中最具代表性的,就是美国的AID(Attached Inflatable Decelerator)项目,用中文表述就是附体式充气减速器。


该项目最初的初衷,是为了让美国“海盗号”探测器能在充气罩的空气制动下,于火星完成一次软着陆,以方便后续的研究。


为此,美国专门找来了闻名于世的美国Goodyear公司,即美国固特异,这是一家专研于橡胶制品的企业,因出产的轮胎质量优异而为世人熟知,美国将固特异纳入项目合作之中,又投入了大量专业博士,可见其对减速器研发的决心。


但饶是如此,AID项目在材料、气压等多方面因素的影响下,最终还是走向了失败,这种充气式减速器的概念,也只能暂时封存。


直到上世纪80年代,也就是AID项目之后30年,美国航空航天回收系统公司重启了该项目,并重新命名为充气式回收飞行器(Inflatable Recovery Vehicle),即IRV项目。


IRV项目在AID的基础上,对充气罩的材料和结构进行了改进,甚至还加入了高压稳定的考量,这从根本上解决了中空失压的问题。


除此之外,IRV还在结构舱的前端设置了缓冲气室,简单来说,就是在回收舱着陆时,IRV还会运用高压弹出一个缓冲气垫,来让回收舱完成真正意义上的软着陆。


值得一提的是,该项目在携带180公斤载重的空投测试中,成功完成了着陆,这也证明了充气罩返回舱理论的可行性。


当然,IRV的成功也让其他国家得到了启示,大家纷纷展开相同方向的试验,比如二十世纪90年代时,俄罗斯就与欧洲航天局合作,开展了一个名为“充气再入与降落技术(inflatable re-entry and descent technology)”的项目,简称IRDT。

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该项目与IRV理念相似,都意在打造一个充气罩式的着陆舱,但遗憾的是,IRDT在历经三次试飞后,都未能取得成功。


除此之外,日本也开展了名为“大气进入舱薄膜减速器(Membrane Aeroshell for Atmospheric-entry Capsule)”的项目,并将其简称为MAAC。


MAAC项目简直就是美国IRV的翻版,它们都使用附体式张力锥形的罩式,唯一不同的是,日本在IRV的基础上,进行了一些现代化的改装,来让整个系统变得更加稳定。


基于IRV试验的成功,日本MAAC也在风洞测试中完成了全部实验,尽管目前暂还不能投入实际运用,但日本航空从中受益良多,尤其是实现了充气找减速器理论的“零突破”。


而我国作为世界强国,虽然在航天事业方面起步较晚,但依然投入大量科研资源,在二十一世纪初时开启了该领域的研究。


比如,作为航空领域权威期刊的《宇航材料工艺》,就曾在2003年第6期刊中指出,我国的充气式载人飞行器,及其柔性防护系统已经处于研究发展阶段。


从这一点来看,位于世界强国之列的中、美、俄都采用各自方式,在充气式减速器领域展开“奔跑”,但这也产生一个新的问题:该技术的突破,究竟能带来何种益处?


3、充气式返回舱:登陆火星的关键


事实上,正如前文所言,充气式减速器的核心优势,就在于能在飞行器在各种环境下,都可以轻松完成软着陆,这不仅能保证飞行器的稳定性,还能拓宽人类太空飞行器的可降区域。


要知道,眼下飞行器若想抵消穿越大气层带来的高温,基本都是依靠底部钟形的隔热层,但这种传统的隔热方式,其实只适用于地球。



这主要是因为,大气层摩擦所带来的高温已达恐怖的上千度,这意味着隔热层必定要极为厚实,可如此设计无形中也加大了飞行器的重量。


好在地球的大气层相对较厚,使得飞行器虽然重量过大,但在摩擦中却也完成了减速。


所以,重量居高不下的飞行器,要想完成异星球着陆,那所降星球的大气层的密度和厚度,也必须和地球一致,若是对方星球的大气层过薄,那飞行器的重量,很可能让它来上一次“千斤坠”,直接粉碎在异星。


然而,宇宙中各行星的大气层厚度,怎么可能都与地球一致呢,比如火星的大气层就极疏、极薄,根本不能为传统飞行器提供减速效果。


因此,飞行器的自主减速就显得极为重要了,而充气式减速器作为一种节省能源的创新方案,自然也就成为了登陆火星的首选。


值得一提的是,我国在2020年5月6日发射的长征五号B运载火箭中,就曾对装配了充气式减速器的返回舱进行了试验。


该试验虽然保证了返回舱的安全,也让返回舱完成着陆,可实际着陆点与预想着陆点却出现了很大的偏差,所以实验结果判定为异常,还需要进一步改进。


但据美国《纽约时报》网站的消息,美国国家航空航天局(NASA)在2022年11月10日时,将一个充气装置送入太空,并成功在预计的夏威夷降落点完成了回收。


这也宣告人类首个充气式减速器的全面成功,而美国也由此成为了第一个达成该成就的国家。


4、中国也在测试同一种系统


面对这个未来航天的关键技术领域,我国也在研究,并进行了实际测试。


2020年,借助长征五号,我国首次测试【柔性充气式货物返回舱试验舱】,但是在返回过程中出现异常。


通过我们前面的分析可以看到研制难度之大,失败也是另一种成功,能找到一些问题所在。毕竟这款设计还在起步阶段,我们还有时间。


当年落后外国数十年我们都能追赶上,如今项目已经与国外齐头并进,更是不在话下。相信不久之后,频繁使用这种设备往返太空将是家常便饭,甚至各位朋友未来完成太空旅游后,也会乘坐这款设备回家。


来源:Hi科普啦,王亚男航空说,风趣科技圈

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