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SHIELD:NASA为何试图在火星上坠落?

美国宇航局(NASA)已经九次成功地将航天器降落在火星上,使用先进的降落伞、巨大的安全气囊和喷气背包在火星表面安全着陆。现在,工程师们正在研究坠毁是否是到达火星表面的最简单方法。

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一个被称为SHIELD(简化的高冲击能量着陆装置)的实验性着陆器设计不是在着陆前减缓航天器的高速下降,而是使用一个类似于手风琴的可折叠底座,就像汽车的溃缩区一样,吸收硬冲击的能量。

通过简化令人痛苦的进入、下降和着陆过程,新的设计可以大大降低登陆火星的成本。它还可以扩大可能的登陆地点的选择。

SHIELD的项目经理,美国宇航局南加州喷气推进实验室的Lou Giersch说:“我们认为我们可以去更危险的地区,在那里我们不想冒险用我们目前的着陆系统来放置一个价值十亿美元的漫游车。也许我们甚至可以在不同的难以进入的地点降落几个这样的车,以建立一个网络。”

SHIELD的大部分设计在很大程度上受到为美国宇航局火星样本返回活动所做工作的影响。该活动的第一步是由“毅力号”探测器在密闭的金属管中收集岩石样本。在未来,一艘航天器将用一个小型太空舱将这些火星样本运回地球,并在一个荒芜的地方安全坠落。

JPL的SHIELD团队成员Velibor Cormarkovic说,研究这一过程的方法使工程师们想知道,一般的想法是否是可逆转的。

他说:“如果你想在地球上硬着陆,为什么你不能在火星上反其道而行?如果我们能在火星上进行硬着陆,我们知道SHIELD可以在大气密度大的行星或卫星上工作。”

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为了测试该理论是否能够在实践中真正发挥作用,工程师们需要证明SHIELD能够在着陆过程中保护敏感的电子设备。该团队在JPL使用了一个近90英尺(27米)的落塔来测试毅力号的样品管在地球硬着陆时将如何支撑。它有一个巨大的吊索--称为弓形发射系统--能够以火星着陆时达到的相同速度将物体抛向地面。

Cormarkovic以前在汽车行业工作,测试携带碰撞假人的汽车。在其中一些测试中,汽车骑在雪橇上,被加速到高速并撞向墙壁或可变形的屏障。有许多方法来加速雪橇,包括使用类似于弓箭发射系统的吊索。

“我们为SHIELD所做的测试有点像雪橇测试的垂直版本,”Cormarkovic说。“但不是一堵墙,而是由于撞击到地面而突然停止。”

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8月12日,该团队带着SHIELD可折叠衰减器的全尺寸原型聚集在落塔处--一个由金属环组成的倒金字塔,可以吸收冲击力。他们将衰减器挂在一个抓斗上,并插入一个智能手机、一个无线电和一个加速度计,以模拟航天器将携带的电子设备。

在炎炎夏日里,他们挥汗如雨,看着SHIELD慢慢升到塔顶。“听到倒计时让我起鸡皮疙瘩,”JPL的另一位SHIELD项目成员Nathan Barba说。“整个团队都很兴奋,想看看原型体内的物体是否能在撞击中幸存下来。”

仅仅两秒钟后,等待就结束了。弓形发射器将SHIELD以大约每小时110英里(每小时177公里)的速度撞向地面。这是火星登陆器在进入火星大气层时,被大气阻力减慢后,在接近地面时达到的速度,其初始速度为每小时14,500英里(每小时23,335公里)。

以前的SHIELD测试使用的是泥土"着陆区",但在这次测试中,该团队在地面上铺设了一块2英寸(5厘米)厚的钢板,以创造一个比航天器在火星上经历的更难的着陆。机载加速器后来显示,SHIELD受到的冲击力约为100万牛顿--相当于112吨砸在它身上。

测试的高速摄像机录像显示,SHIELD以一个小角度撞击,然后在空中弹起约3.5英尺(1米),然后翻转过来。该团队怀疑是钢板造成的反弹,因为在先前的测试中没有发生反弹。

在打开原型机并取回模拟的电子有效载荷时,研究小组发现机载设备--甚至是智能手机--都幸存下来。

“唯一损坏的硬件是一些我们并不担心的塑料部件,”Giersch说。“总体而言,这次测试是成功的!”

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