导读：美国国家航空航天局(NASA)一直有雄心勃勃的计划，在2025年前将人类送上小行星和2035年前将人类送上火星。然而要实现这个计划，不仅要有性能优越的飞行器，更需要掌握能够保障安全着陆的减速技术。低密度超音速减速器项目(LDSD)就是确保较大质量航天器在火星表面精确着陆的重要技术，既可以为将来载人和机器人火星任务发挥重要作用，也同时为大型航天器安全返回地球提供技术保障。
项目背景
随着美国国家航空航天局(NASA)计划对火星进行更深层次的科学考察和更为复杂的人类科学探险，需要安全降落在火星表面的航天器必然愈加庞大。目前从大气进入高速，进而再减速到火星着陆阶段的技术可以追溯到NASA的维京计划。该计划于1976年在火星上安装了两个登陆器，基本的维京降落伞设计从那时起就被使用，并且在2012年再次应用于好奇号飞行器上。
火星上的大气非常稀薄，平均大气密度仅相当于地球的1%，因此空气阻力非常小。火星探测器依靠其自身气动外形进行减速时，相比地球上的飞行器需要在高度更低才能达到明显的减速效果。这样就会导致留给减速着陆系统剩余部分的时间缩短，进入器没有充足时间做着陆准备。虽然好奇号成功登陆，但如果要让人类真正踏上火星表面，需要的太空舱重量将远远超过好奇号。寻找新的减速着陆器，有效地抵消高速飞行和高负荷带来的加速度就成为NASA火星计划的下一步任务。
项目发展
美国国家航空航天局(NASA)在2011年在太空技术项目(STP)中设置了低密度超声速减速器(LDSD)技术验证任务，以提高超声速段减速性能，掌握新的大质量火星软着陆减速技术和能力，提高未来火星任务中着陆载荷质量、着陆地点高度和着陆精度。该技术也是NASA在火星进入、下降与着陆技术领域正在开发验证的技术之一。
LDSD由超声速充气式气动减速器(SIAD)和大型超声速环帆伞构成。充气式气动结构减速器在发射和飞行过程中保持在未充气状态，而在进入气动减速前利用气体发生器快速对充气结构进行充气，使其迅速膨胀，从而增大阻力面积，实现减速的目标。为进行超声速飞行气动试验技术验证，NASA分别验证直径6m的圆环型SIAD-R减速器和直径8m的等张力面型SIAD-E减速器。
两种减速器的构型和尺寸虽然存在一定差异，其原理均是通过充气膨胀增加着陆飞行器的气动阻力，对超声速(马赫数为3.5以上)飞行的着陆器进行气动减速，最终使飞行速度下降至约2马赫数，达到降落伞安全展开的条件。
NASA曾对低密度条件下超声速降落伞进行对比分析，研究对象包括环帆伞、十字形伞、盘缝带伞等。其中单个、不收口的盘缝带伞不仅能够适应火星大气稀薄的环境以及超声速开伞的条件，且其结构相对简单，一直被用作美国火星探测减速着陆系统的气动减速装置。2012年好奇号在火星表面着陆时采用的降落伞直径为21.5m，开伞速度马赫数为1.77，已经达到了盘缝带降落伞的尺寸极限。
然而美国的载人飞船着陆系统与火星着陆器不同，采用尺寸更大的环帆伞。与盘缝带降落伞相比，环帆伞的开伞冲击载荷较小、稳定性好，具有相当高的可靠性。
美国喷气推进实验室综合考虑减速效率、稳定性和超声速环境下的开伞效果等因素，最终决定采用超声速环帆伞，其开伞速度可达2马赫数，面积几乎是好奇号所用的盘缝带伞的2倍。
美国国家航空航天局(NASA)在2014年和2015年分别对低密度超声速减速器(LDSD)进行了2次试验。低密度超声速减速器(LDSD)由巨大的气球送到120000英尺(36576米)的高空以模拟火星大气环境，当到达预定海拔高度后，气球破裂，飞行器底部的发动机启动以推动其向高空运动。在到达180000英尺(54864米)高空后，超音速充气气动减速器开始膨胀，飞行器体积变大。通过增加飞船的总体体积，超音速充气气动减速器可帮助其从4184公里/时的速度降低至2414公里/时，之后降落伞打开进一步帮助飞行器减速。
NASA原本计划进行3次飞行试验，但在第一次和第二次试验中降落伞都在打开过程中失败了。由于需要将资金重新分配给维修卫星的计划，美国国家航空航天局在2016年初将低密度超声速减速器(LDSD)的资金削减了85%，直接导致项目在计划的第三次测试之前暂停。试验测试视频如下所示：
插入视频一(观看请点击文章底部的原文链接)
2017年10月14日，美国国家航空航天局(NASA)再次测试了低密度超声速减速器(LDSD)的降落伞。这次降落伞安装在Black Brant IX亚轨道探测火箭上，在升空后降落伞成功打开。
插入视频二(观看请点击文章底部的原文链接)
未来，通过LDSD技术发展的减速器并采用4~5个伞组成的多伞系统，火星表面软着陆质量最高可达15t。新型减速器减速效果优于传统方案，可减少火星着陆器气动减速的飞行距离，因此可在海拔高度更高的火星表面着陆，着陆点的海拔高度可增加2000~3000m，从而大幅增加火星表面可探测区域。
总结
美国国家航空航天局(NASA)主导的低密度超声速减速器(LDSD)技术很可能成为未来登陆火星的关键技术，人类也将进一步拓展空间探索领域。我国在减速技术方面同样掌握了先进技术，中国航天科技集团五院508所研究的新型充气式再入减速技术(IRDT)测试成功，证明我国具有深空探测器安全着陆的能力。
主要参考文献
1 Low Density Supersonic Decelerators_NASA
2 LOW DENSITY SUPERSONIC DECELERATOR_Kolby Javinar
3 THE SUPERSONIC PARACHUTES CARRYING NASA’S MARTIAN DREAMS
4火星着陆的双保险
5美宇航局将测试用“巨大飞碟”送人类上火星
6美国开展大质量有效载荷火星着陆技术验证
7 NASA官网
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/wMiAP8ac4cCHyNQPb3JS1A
更多精彩 VX服务号：chinaequip
高端装备产业研究中心 http://www.chinaequip.com.cn/
北京太阳谷咨询有限公司(高端装备产业研究中心)立足于国防军工行业，面向高端装备产业，致力于成为国内首选高端装备产业研究与市场调查咨询机构。面对未来，我们将始终围绕国防军工技术与装备领域开展精细化研究工作,为战略决策、项目管理、规划论证、技术探索、产品开发、型号研制、市场拓展、课题研究等提供整体咨询解决方案与智力支撑。