科學家模擬研究火星探測器著陸時面臨的湍流挑戰

2020-10-13 Snail先生

如我們所知，我國的天問一號，阿聯的「希望號」和美國的「毅力號」都在飛往火星的途中。探測器在接近火星軌道時，會面臨成敗在此一舉的，很關鍵的三個步驟。

第一步，入軌，探測器進入地火轉移軌道後，會進行軌道修正，在近火點附近準備剎車，被火星俘獲，進入環繞火星軌道，這一系列操作不能出一點差錯，否則探測器可能會脫離控制飛向更遠的深空。

第二步，分離。環繞火星的探測器對著陸區進行預先探測，調整好著陸點，環繞器與著陸巡視器就可以分離了，分離之後，環繞器繼續環繞火星進行科學探測，而著陸器就可以進行

第三步，著陸。

分離之後的著陸巡視器將進入火星大氣，通過降落傘、反推制動等多級減速和著陸緩衝，降落於火星表面。這其中，最大的難點在於「恐怖7分鐘」，即進入火星大氣層、下降與著陸過程中，要在7分鐘內將探測器的時速從兩萬公裡降低至零。由於遠距離數據傳輸的大時延，就要求著陸器必須自動控制，完成著陸。

美國密西根大學的研究人員，他們使用計算機來模擬由推進器驅動的著陸引起的微粒混亂。

機械工程師傑西·卡佩拉特羅說，在降落過程中，排氣羽流使地表土壤和灰塵「流態化」，形成隕石坑，並用粗糙的研磨性顆粒撞擊著陸器。這造成了一系列可能危及登陸的變數。

他說：「著陸相關數據很難生成，因為你不能僅僅在地球上進行實驗。」。「當粒子接近超音速時，現有的數學模型在這些更極端的條件下會崩潰。」

卡佩拉特羅的團隊正在開發基於這種情形的物理模型，這些模型會幫忙NASA預測當太空飛行器試圖著陸時會發生什麼。這包括「混亂的湍流」和懸浮在氣體中的固體顆粒對飛行器的流體行為影響。

大部分工作是在一個高性能計算集群上完成的，該集群允許團隊同時將問題劃分到數百個甚至數千個處理器上。

為了更深入地研究，卡佩拉特羅說，他們使用的模型將基於所有可用的數據，基於這些數據進行模擬。明年2月18日「毅力」號登陸的數據也將包括在內。

卡佩拉特羅說，「我們的模擬為開發改進的數學模型所需的流動物理提供了基本的見解，NASA需要這些模型來模擬全面著陸事件。」

有了這樣一個模型，NASA可以用來更好地預測不同的設計將如何影響地面和著陸，並根據需要進行調整。

卡佩拉特羅說，隨著美國宇航局朝著火星載人任務邁進，這將變得更加重要，原因不僅僅是因為屆時登陸器上會有人，還因為更大的有效載荷意味著著陸時更強的排氣羽流和地面的相互作用。

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