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氣動外殼

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海盜1號的氣動外殼

氣動外殼（Aeroshell）是一種剛性隔熱外殼，主要幫助航天器在進入大氣層時減速並免受大氣阻力所產生高溫高壓和可能碎片的破壞。其主要部件包括位於前面的防熱盾和後面的背罩。防熱盾在航天器進入大氣層時吸收航天器前方空氣壓縮產生的熱量；背殼則承載着所運送的載荷及其它重要部件，如降落傘、火箭發動機和電子監測設備，如在下降過程中監測降落傘下方罩體方向的慣性測量單元。

它主要應用於太空任務中航天器的進入、下降和着陸過程（EDL）。首先，當航天器穿入地球大氣層時，氣動外殼會使航天器減速，隔熱板吸收由此產生的摩擦高溫。然後，在下降過程中，降落傘打開，隔熱板被拋離，位於背罩中的火箭啟動，以幫助航天器進一步減緩下降速度，安全氣囊也會充氣以緩衝降落撞擊。航天器在第一次撞擊後直接在行星表面反彈。最後，安全氣囊放氣坍縮，航天器上的着陸器罩瓣展開。在整個過程中，任務控制和航天器之間的通信通過連接在背罩和探測器上的低增益天線進行往返傳輸。在整個進入、下降和着陸階段，特定音響聲將被發回地球，以傳達每一關鍵步驟是否已成功[1]。

氣動外為太空探測器的關鍵部件，是探測器完好降落到任何具有大氣層天體表面所必需的，現已應用於所有將有效載荷返回地球的任務（如果將穿梭機隔熱系統也視作氣動外殼的話），以及所有登陸火星、金星、土衛六和（在最極端的情況下）到木星的伽利略號探測器任務。

組件

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氣動外殼主要由兩大部件組成：一塊位於氣動外殼前半部或前體的隔熱板和一隻位於後部的背罩[2]。 在航天器進入大氣層時，氣動外殼的隔熱板面向衝壓方向（向前），使其吸收飛行器前部空氣壓縮所產生的高熱。後部背罩則充當密封有效負載的容器。背罩中通常安裝有降落傘、煙火裝置及電子設備和電池、慣性測量單元以及特定任務進入、下降和着陸階段所需的其他硬件[2]。降落傘位於背罩頂端，在進入、下降和着陸期間緩減航天器速度；煙火控制系統觸發爆炸螺栓、火箭和射傘槍等裝置。當背罩在降落傘下搖晃時，慣性測量單元會報告它的方向。如果配備了減速火箭，可協助航天器最終階段的降落和着陸；作為替代或者附加地方案，着陸器自身也可安裝減速火箭，用於最終的降落和着陸（背罩被拋棄後）。配備的其他火箭則可為罩體提供橫向移動力，以幫助在主火箭噴射期間定位到更精準的位置[3]。

設計要素

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航天器的任務目標決定了確保任務成功所需的飛行要求，這些飛行要求包括減速度、高溫、撞擊和着陸精度。航天器必須具有足夠低的最大減速度才能保證飛行器最薄弱部分的完好無損，同時，它又必須要有足夠高的速度來穿透大氣層而不發生反彈。航天器結構和有效載荷質量會影響它能承受的最大減速度。這種力用「g」或地球引力加速度來表示。如果它的結構設計得足夠好，且由堅固的材料（如鋼）製成，那麼它就可承受更高的重力，但是，還必須考慮所搭載的載荷。因為僅航天器結構能承受高g力並不意味着它的載荷也可以。例如，太空人的有效載荷只能承受12個g，即自身重量的12倍，超過這一標準將會導致死亡。另外，航天器還必須能承受因高超音速進入大氣層時產生的巨大摩擦高溫。最後，它必須能夠穿透大氣層並準確地降落在地面上，而不會錯過目標。着陸區域越狹窄，所需精度就越高。在這種情況下，航天器將需更流線型並擁有更陡峭的再入軌道角。這些因素共同影響了返回軌道，航天器必須在該區域內飛行，以避免焚毀或彈出大氣層。

以上所有這些要求都是通過對航天器結構和軌跡的考慮、設計和調整來滿足的

氣動外殼的整體動力學受慣性和阻力的影響，定義如下：ß=m/CdA，其中「m」為氣動外殼及搭載載荷的質量，「CdA」為氣動外殼在自由飛行條件下所產生的阻力。大體而言，「β」等於阻力除以質量（單位阻力面積的質量）。每單位阻力面積的質量越大，則會導致氣動外殼的進入、下降和着陸過程發生在大氣層低點和稠密處，並且還會降低着陸時的升力和時間裕度。進入、下降和着陸期間增加的因素包括熱負荷和速率，這會導致系統強制適應熱負荷的增加。此種情況會降低有效着陸質量能力，因為熱負荷的增加會使氣動外殼的支撐結構和隔熱系統（TPS）更重。此外，還需考慮靜態穩定性，因為需要維持高阻力高度，這就是為什麼需要一種後掠式而非平鈍的前機身。前一種的形狀確保了該因素的存在，但也減少了阻力面，因此，在阻力和穩定性之間存在折衷，這會影響氣動外殼形狀的設計。升阻比也是另一需要考慮的因素，升阻比的理想水平為非零[4]。

行星進入降落傘計劃

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公開展示在白沙導彈靶場導彈公園的美國空軍「飛碟」氣動外殼。

1966年，為測試旅行者火星着陸計劃中所用的降落傘，美國太空總署進行了「行星進入降落傘計劃」（PEPP）氣動外殼測試。為模擬火星稀薄的大氣層，降落傘需要在地球上空超過16萬英尺（4.9萬米）處使用。一隻攜帶着氣動外殼的氣球從新墨西哥州羅斯維爾釋放，然後向西漂移到白沙導彈靶場，氣動外殼被拋下，氣動外殼下方的發動機點火，將它提升到所需的高度，在那裏降落傘被打開。

旅行者計劃後來被取消，幾年後被規模小得多的海盜計劃所取代。美國宇航局重新使用了「旅行者」一名，被應用於「旅行者1號」和「旅行者2號」二艘外行星探測器。

低密度超音速減速器

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低密度超音速減速器（或簡稱LDSD)是一種旨在產生空氣阻力，以便在進入行星大氣層時減速的太空飛行器[5]。本質上它是一架圓盤狀的飛行器，外面安裝有一圈可充氣甜甜圈狀氣球，使用這種類型的系統可能會增加有效載荷。

它主要是在着陸火星之前，通過給飛行器周圍一圈氣球充氣以增加表面積並產生阻力，幫助航天器減速，在充分減速後，長長繫繩上的降落傘展開，以進一步降低飛行器的速度。

該飛行器正在由美國宇航局噴氣推進實驗室開發和測試[6]，馬克·阿德勒（Mark Adler）為項目管理人 [7]。

2014年6月的試飛

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2014年試飛視頻

試飛於2014年6月28日進行，測試飛行器於協調世界時18時45分（當地時間08時45分）從位於夏威夷考艾島的美國海軍太平洋導彈靶場發射[7] 。一隻高空氦氣球，在完全充滿氣時，體積達到112萬米3（3957萬英尺3）[6]，將飛行器提升至約3.7萬米（12萬英尺）高左右[8]。協調世界時21時05分（當地時間11時05分）時，飛行器與氣球分離[7]，四具小型固體燃料火箭引擎使飛行器旋轉以保持穩定[8]。

自旋半秒後，飛行器的「Star 48B」固體燃料發動機點火，將飛行器的驅動到4馬赫，約為5.5萬米（18萬英尺）的高度[8]。火箭燃盡後，另外四台火箭引擎反向驅動飛行器[6]。當減速至3.8馬赫時，20英尺管形超音速充氣氣動減速器（SIAD-R 配置）展開 [8]。超音速充氣氣動減速器旨在通過增加飛行器前端的表面積來提增飛行器的大氣阻力，從而提高減速率[9]。

當減速至2.5馬赫（超音速充氣氣動減速器展開後約107秒[6]）時，超音速圓盤帆（SSDS）降落傘被打開以進一步降低飛行器速度[8]。該具降落傘直徑110英尺，幾乎是火星科學實驗室任務所用降落傘的兩倍[10]。然而，它在打開後開始撕裂[11]，飛行器在協調世界時21時35分（當地時間11時35分）以32至48公里/小時（20至30英里/時小）的速度墜入太平洋[7][12]，但所有硬件和數據記錄器均已被撈回[9][12]，儘管發生了降落傘事故，任務仍被宣佈成功，主要目標是證明試驗飛行器的飛行價值，而超音速充氣氣動減速器(SIAD)和超音速圓盤帆降落傘(SSD)只是次要的實驗[9]。

2015年的試飛

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2015年年中，太平洋導彈靶場將再進行兩次低密度超音速減速器試飛。這些測試將側重於8米（26英尺）的超音速充氣氣動減速器(SIAD-E)和超音速圓盤帆降落傘(SSD)技上，並吸取2014年測試期間的經驗教訓[12]。計劃對降落傘進行的修改包括更圓的形狀和結構的加固，但在再入大氣層後不久，降落傘就被扯掉了[13]。

圖集

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  • 唐·戴維斯(Don Davis)創作的海盜號軌道器釋放帶氣動外殼着陸器的藝術想像圖。
    唐·戴維斯(Don Davis)創作的海盜號軌道器釋放帶氣動外殼着陸器的藝術想像圖。
  • 展出在弗吉尼亞州航空航天博物館的阿波羅12號隔熱罩細節。
    展出在弗吉尼亞州航空航天博物館的阿波羅12號隔熱罩細節。
  • 33.5米超音速環帆降落傘
    33.5米超音速環帆降落傘
  • 6米的超音速充氣氣動減速器(SIAD-R)
    6米的超音速充氣氣動減速器(SIAD-R)
  • 8米的超音速充氣氣動減速器(SIAD-E)
    8米的超音速充氣氣動減速器(SIAD-E)

參考文獻

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  1. ^ Returning from Space: Re-Entry (PDF). Federal Aviation Administration. U.S. Department of Transportation. [12 April 2015]. （原始內容 (PDF)存檔於19 March 2015）. 
  2. ^ 2.0 2.1 Aeroshells: Keeping Spacecraft Safe. Lockheed Martin. [2019-12-02]. （原始內容存檔於2022-06-30）. 
  3. ^ Mars Exploration Rover Mission: The Mission. mars.nasa.gov. [2019-12-02]. （原始內容存檔於2022-01-04）. 
  4. ^ Hypersonic Entry Aeroshell Shape Optimization (PDF). Solar System Exploration. NASA. [12 April 2015]. （原始內容 (PDF)存檔於27 April 2015）. 
  5. ^ Erdman, Shelby Lin; Botelho, Greg. NASA tests flying saucer craft for future manned mission to Mars. CNN.com. June 29, 2014 [August 12, 2014]. （原始內容存檔於2019-06-17）. 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 6.3 Press Kit: Low-Density Supersonic Decelerator (LDSD) (PDF). NASA.gov. May 2014 [August 12, 2014]. （原始內容存檔 (PDF)於2021-12-30）. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 Carney, Emily. NASA's Low-Density Supersonic Decelerator Test Flight Hailed as a Success. AmericaSpace. July 1, 2014 [August 12, 2014]. （原始內容存檔於2016-10-23）. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 Parslow, Matthew. LDSD passes primary technology test but suffers chute failure. NASA Spaceflight. June 28, 2014 [August 12, 2014]. （原始內容存檔於2019-06-13）. 
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 McKinnon, Mika. A Successful First Flight for of the Saucer Test Vehicle over Hawaii. io9.com. June 29, 2014 [August 12, 2014]. （原始內容存檔於2015-09-11）. 
  10. ^ Chang, Alicia. NASA to test giant Mars parachute on Earth. Las Vegas Review-Journal. Associated Press. June 1, 2014 [August 12, 2014]. （原始內容存檔於2016-03-04）. 
  11. ^ Boyle, Alan. Flying Saucer Videos Reveal What Worked and What Didn't. NBC News. August 8, 2014 [August 12, 2014]. （原始內容存檔於2017-11-07）. 
  12. ^ 12.0 12.1 12.2 Rosen, Julia. NASA Mars test a success. Now to master the parachute. Los Angeles Times. June 30, 2014 [August 12, 2014]. （原始內容存檔於2018-11-26）. 
  13. ^ Allman, Tim. Parachute on Nasa 'flying saucer' fails in test. BBC. June 9, 2015 [June 9, 2015]. （原始內容存檔於2016-03-04）. 
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