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主譯：澄

校譯：遠(yuǎn)山真理

審核：牧夫天文校對(duì)組

美編：張少巖

后臺(tái)：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(cè)火箭 S-520-34 號(hào)發(fā)射升空。雖然只是短暫的飛行，但卻進(jìn)行了次世代宇宙技術(shù)的實(shí)驗(yàn)。

與此同時(shí)，在相模原校區(qū)的宇宙科學(xué)探查交流館內(nèi)，陸續(xù)到訪的來客們參觀著宇宙科學(xué)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(gè)看起來宛如飛盤的物品。留有傷痕的上下兩個(gè)部件曾是保護(hù)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(jī)構(gòu)（JAXA）相模原校區(qū)的宇宙科學(xué)探測(cè)交流大樓的 “游隼 2 號(hào)” 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(qǐng)諒解。）

將這些部件組裝起來，就成為了 “游隼2 號(hào)” 在從地球大氣層高速下落時(shí)，保護(hù)其采集的小行星粒子免受氣動(dòng)加熱（高速進(jìn)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(zhǔn)教授卻略顯擔(dān)憂。

“如果是火星的話，這個(gè)可能行不通?！?山田準(zhǔn)教授一邊思考一邊說道，“因?yàn)榛鹦窍”〉拇髿鉄o法充分起到制動(dòng)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(jìn)入行星大氣的物體所經(jīng)歷的極高溫度的氣動(dòng)加熱會(huì)有所減輕，但物體的下降速度減小效果卻遠(yuǎn)不及地球。應(yīng)對(duì)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(fēng)險(xiǎn)，并且在接近地表時(shí)，還需要使用推進(jìn)器來將速度減速到安全水平。正因如此，火星著陸流程被認(rèn)為是火星探測(cè)中技術(shù)難度最高的部分之一。

描繪了美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的“毅力號(hào)”火星探測(cè)器為在2021年登陸火星的主要里程碑的插圖。在這個(gè)被稱為“恐怖7分鐘”的過程中，必須完美且及時(shí)地執(zhí)行數(shù)百個(gè)重要事件。圖中描繪了大氣進(jìn)入、降落傘展開、隔熱罩分離、動(dòng)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(xué)院)

即便是完成了這一壯舉的 NASA 火星探測(cè)車團(tuán)隊(duì)，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(shí)現(xiàn)火星著陸探測(cè)的輕量化，今后會(huì)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(xué)研究系的房間里有一個(gè)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(gè)奇特的 “游泳圈” 卻是新一代的大氣進(jìn)入裝置。

這個(gè) “使用展開型柔性氣動(dòng)外殼的觀測(cè)火箭實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回收模塊” 被稱為 “RATS”（拉茨）。RATS 是取代 “游隼 2 號(hào)” 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(dòng)外殼（承受大氣層進(jìn)入機(jī)體所受的熱和空氣動(dòng)力的外殼）。

“火箭上搭載著小型高壓氣瓶，” 率領(lǐng) RATS 開發(fā)團(tuán)隊(duì)的山田準(zhǔn)教授解釋道，“當(dāng)需要展開氣動(dòng)外殼時(shí)，取下折疊好的氣動(dòng)外殼的金屬蓋，在氣瓶上打個(gè)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(huì)迅速膨脹?！?/p>

使用展開式柔性氣動(dòng)外殼的觀測(cè)火箭實(shí)驗(yàn)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(dá)地面。

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

RATS目前被用于在高度約300公里的宇宙環(huán)境中進(jìn)行的觀測(cè)火箭實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后則會(huì)向海洋墜落。在觀測(cè)火箭重新進(jìn)入大氣層之前，膨脹的 RATS 會(huì)分離，并在緩緩下落的過程中，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)安全地帶回地面。

在2021 年的實(shí)驗(yàn)中，直徑 1.2 米的 RATS 墜落在海面上被回收，觀測(cè)火箭 S-520-31 號(hào)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(duì)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(gè)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(yùn)輸?shù)叫行潜砻娴挠行лd荷（貨物）的質(zhì)量，可以適當(dāng)設(shè)計(jì) RATS 氣動(dòng)外殼展開時(shí)的尺寸。有效載荷越重，就越需要大型的氣動(dòng)外殼來避免大氣層進(jìn)入時(shí)的高速下落，但這樣做也能減輕在大氣中通過時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)加熱，并減少有效載荷撞擊地面時(shí)的沖擊力。另一方面，氣動(dòng)外殼太大就會(huì)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(jìn)行設(shè)計(jì)。

通過調(diào)整氣動(dòng)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(zhǔn)教授期待著有朝一日能利用 RATS 將小型著陸器送達(dá)火星，為實(shí)現(xiàn)更輕量化、低成本的火星探測(cè)開辟道路。為了有效利用火星的稀薄大氣，山田準(zhǔn)教授的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了直徑更大的 2.5 米的 RATS-L 實(shí)驗(yàn)。大型降落傘在到達(dá)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(dòng)外殼會(huì)在進(jìn)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(dòng)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(jìn)行充分減速的額外推進(jìn)器等。

“也就是說，飛行過程中什么都不用做?！?山田準(zhǔn)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(cè)火箭 S-520-33 號(hào)的飛行中取得成功，并順利在海上著水。目前 RATS 能運(yùn)載的有效載荷上限約為數(shù)公斤，但山田準(zhǔn)教授表示，隨著今后的開發(fā)，若耐熱性和強(qiáng)度等得到提升，或許能運(yùn)載數(shù)十公斤左右的載荷。不過，對(duì)于像 NASA 火星探測(cè)車那樣的大型物體，僅靠 RATS 單體能否運(yùn)載，若沒有某種技術(shù)突破或重大的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，會(huì)很困難。

另外，由于返回時(shí)以超高速進(jìn)入地球大氣層所產(chǎn)生的氣動(dòng)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(duì)于這種情況，設(shè)計(jì)成能耐受高溫且有實(shí)際業(yè)績(jī)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(xiàng)技術(shù)是相輔相成的?！?山田準(zhǔn)教授解釋道，“RATS 適合用于需要著水且在下降過程中不會(huì)達(dá)到很高速度的觀測(cè)火箭實(shí)驗(yàn)，以及需要解決因大氣稀薄而產(chǎn)生課題的火星著陸探測(cè)。

回收船吊起RATS-L的樣子

2021 年 RATS 搭載在觀測(cè)火箭 S-520-31 號(hào)上進(jìn)行的首次宇宙飛行，不僅僅是對(duì)未來宇宙技術(shù)的驗(yàn)證。RATS 還完成了一項(xiàng)實(shí)際任務(wù)，將記錄了旋轉(zhuǎn)（旋回型）爆震發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（稱為 RDE 或 DES）世界首次宇宙飛行驗(yàn)證的數(shù)據(jù)芯片帶回了地面。

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是一種在圓筒形燃燒室內(nèi)，利用高速移動(dòng)的沖擊波依次點(diǎn)燃新注入的推進(jìn)劑，并使其持續(xù)燃燒的裝置。這種設(shè)計(jì)有望實(shí)現(xiàn)比以往小得多的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，從而進(jìn)一步降低宇宙探測(cè)的門檻。

在這次實(shí)驗(yàn)中，RATS 帶回了記錄觀測(cè)火箭飛行詳細(xì)情況的數(shù)據(jù)芯片。數(shù)據(jù)顯示，觀測(cè)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(jìn)行最新版本的實(shí)驗(yàn)做好了準(zhǔn)備。

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（RDE）在宇宙空間中首次運(yùn)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(dòng)機(jī)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(dòng)外殼的再入膠囊RATS在海上回收。（名古屋大學(xué)/JAXA）

觀測(cè)火箭 S-520-34 號(hào)上搭載的 DES2，將推進(jìn)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(jìn)劑，這是一個(gè)重大的改進(jìn)點(diǎn)。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(jìn)劑從燃料箱供給到燃燒室內(nèi)比使用氣體時(shí)更困難。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，采用了用氮?dú)饧訅簩⒁后w推進(jìn)劑壓到燃料箱底部，在此過程中推進(jìn)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(diǎn)燃的方式。

“DES2 的開發(fā)極具挑戰(zhàn)性?！盌ES 系列實(shí)驗(yàn)的代表者、名古屋大學(xué)的笠原次郎教授這樣解釋道，“為了克服處理液體推進(jìn)劑的困難，對(duì)推進(jìn)劑供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了大幅修改。”

此外，笠原教授的團(tuán)隊(duì)將燃燒器從雙圓筒改為單圓筒。在單圓筒中，爆震波會(huì)沿著外壁移動(dòng)。這不僅能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，還能避免內(nèi)圓筒冷卻這一傳統(tǒng)課題。搭載在 S-520-34 號(hào)上的 DES2 是世界上首次在宇宙空間中使用液體推進(jìn)劑的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

乙醇-N2O 旋回型爆震發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒試驗(yàn)情況（名古屋大學(xué)）

觀測(cè)火箭 S-520-34 號(hào)于 2024 年 11 月 14 日 11:30（日本時(shí)間）發(fā)射升空。飛行時(shí)間為 459 秒，最高高度達(dá)到 217 公里，進(jìn)行了 DES2 以及展開型氣動(dòng)外殼 RATS2 的實(shí)驗(yàn)。

“觀測(cè)火箭的壽命很短，但對(duì)于執(zhí)行激動(dòng)人心的任務(wù)來說時(shí)間足夠了。” 觀測(cè)火箭實(shí)驗(yàn)小組組長(zhǎng)羽生宏人教授說道，“在觀測(cè)火箭上，可以在宇宙環(huán)境中驗(yàn)證先進(jìn)技術(shù)，也可以觀測(cè)大氣現(xiàn)象。對(duì)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(cè)火箭?！?/p>

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

“我們確認(rèn)了液體推進(jìn)爆震產(chǎn)生了推力！” 笠原教授如此報(bào)告，但他也表示，推力只是速報(bào)值，詳細(xì)情況正在確認(rèn)中。

使用液體推進(jìn)劑的另一個(gè)課題是，火箭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力會(huì)將液體推進(jìn)劑壓向燃燒室的外壁，因此如何將燃料完全用盡是一個(gè)問題。由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)只能在宇宙空間中進(jìn)行，因此要了解詳細(xì)情況，需要對(duì)觀測(cè)火箭實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析。

搭載旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（DES2）和展開式氣動(dòng)外殼RATS2的觀測(cè)火箭S-520-34的實(shí)驗(yàn)流程示意圖。(名古屋大學(xué)、JAXA)

DES2 取得了成功，但事后通過直升機(jī)在海域進(jìn)行的搜索表明，并非一切都進(jìn)展順利。DES2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dāng)團(tuán)隊(duì)到達(dá)該海域時(shí)，卻沒有發(fā)現(xiàn) RATS2 的任何蹤跡。據(jù)推測(cè)，這正中了 RATS 系統(tǒng)最大的擔(dān)憂之一，即充氣環(huán)出現(xiàn)了破洞。

“我們?cè)?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(zhǔn)教授解釋道，“目前已知的情況是，在向充氣部分注入氣體時(shí)，氣動(dòng)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(jìn)入大氣層，但由于無法獲得足夠的空氣阻力，會(huì)以比預(yù)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(dòng)外殼似乎沉入了海中。這是一個(gè)令人遺憾的結(jié)果，但觀測(cè)火箭進(jìn)行新技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)教授在承認(rèn)這一點(diǎn)后，接著說道，“我深切體會(huì)到了要確保同樣的事情反復(fù)成功的難度。不過，從失敗中也能學(xué)到很多東西。我們希望盡快找出原因，采取對(duì)策，并在不降低開發(fā)速度的前提下，朝著下一次驗(yàn)證試驗(yàn)前進(jìn)?！?/p>

展開式氣動(dòng)外殼進(jìn)入火星大氣層并將有效載荷運(yùn)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)的下一步開發(fā)。在 34 號(hào)機(jī)中，推進(jìn)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(yùn)動(dòng)能夠持續(xù)點(diǎn)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(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)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(dòng)機(jī)。此外，還在考慮將發(fā)動(dòng)機(jī)集群化（通過將多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)捆綁來增強(qiáng)推力）。我們正以在衛(wèi)星軌道上進(jìn)行爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為目標(biāo)，逐步推進(jìn)計(jì)劃。”

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

“展開型氣動(dòng)外殼最終有望應(yīng)用于火星著陸器?！?山田準(zhǔn)教授說道，“通過在觀測(cè)火箭上反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不斷熟練掌握技術(shù)，作為下一個(gè)技術(shù)驗(yàn)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(yàn)證成功，我認(rèn)為就能開辟通往火星的道路?！?/p>

觀測(cè)火箭實(shí)驗(yàn)是一個(gè)得以窺見開發(fā)中宇宙技術(shù)的絕佳機(jī)會(huì)，也是一個(gè)能讓大家廣泛了解我們所擁有的革新性想法的場(chǎng)所。也許有一天，我們習(xí)以為常的行星間旅行，會(huì)使用旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)來提高運(yùn)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(zé)任編輯：甘林

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