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2021年5月15日7时18分,天问一号着陆巡视器在经历了惊心动魄的EDL过程后成功着陆于火星表面,中国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。同样的,我国神舟飞船返回舱在返回地球时也需要经历EDL过程。那么,什么时EDL?EDL又分为几个阶段?
航天器沿其运行轨道直接到达,或者离开它原来的运行轨道沿转变后的轨道到达它要着陆的天体的大气层,安全通过大气层并利用大气减速,最终安全着陆在天体上的过程,成为航天器的进入(Entry)、下降(Descent)与着陆(Landing)过程, 简称EDL过程 。
航天器是一个人造天体,它在某个天体作用范围内的运行轨道上按天体力学规律运动。在绕天体运动时,航天器的轨道是不与天体稠密大气层相交的椭圆轨道或圆轨道。航天器要离开原运行轨道进入一条飞向天体大气层和天体表面的轨道,必须要用制动发动机产生的推力 减小其飞行速度,或者改变其速度方向,或者同时改变速度大小和方向 。
如果速度的改变使得航天器转入一条飞向天体大气层和天体表面的轨道,就有可能实现进入,实现进入的轨道称为进入轨道。因此, 制动段是从制动发动机工作开始点(即制动点)到其工作结束为止。 在这一阶段飞行过程中,航天器除受天体的引力作用外,还受到制动发动机推力的作用。
由于航天器在绕天体运行时,其轨道是不与天体稠密大气层相交的椭圆轨道或圆轨道,因此,进入式航天器脱离原运行轨道转入进入轨道后,在进入大气层之前仍有一段运行轨道处于真空环境中,在此阶段航天器仍然是按天体力学规律自由飞行。于是, 将从制动发动机工作结束点至进入大气层上边界点间的自由飞行段称为进入轨道过渡段。
其实大气层的上边界是不存在的,是人为划分的,例如一般将地球大气层上边界高度取为80~120km。在进入轨道过渡段,一般 不对航天器的质心轨道进行控制,只对姿态进行控制 ,航天器仅在天体引力的作用下作自由下降飞行。
进入点为进入轨道进入段的起点,也是气动力起明显作用的稠密大气层的最高点,从这点开始气动力对进入器的运动影响就不能够忽略。 对于采用降落伞减速系统垂直着陆的进入器 ,它的 进入段是从进入点减速下降到降落伞系统开始工作的这一段轨道。 对于能够产生足够升力机动下滑下降、在跑道上水平着陆的进入器 , 进入段是进入点到进入器开始导航操纵位置的一段。
根据美国国家航空航天局(NASA)在空间技术路线图进入、下降与着陆技术领域中对下降段的界定, 下降段主要是指从超声速减速到亚声速这一飞行下降阶段 , 对于采用降落伞减速的航天器来说通常指降落伞减速阶段,从降落伞开始工作起至着陆系统或终端发动机开始工作止 。因此,EDL过程中的下降段也可称为降落伞减速段。
由于工程设计中不能通过无限增大降落伞面积来减小其稳降速度,对于某些航天器来说,为了确保着陆安全,往往还需要采用着陆缓冲措施对航天器进行最终的缓冲着陆,即 由着陆缓冲装置在有限的空间和短暂的时间内来个“急刹车” ,使进入器本体以接近零速度触地的理想状态圆满完成着陆任务。
比如,神舟飞船返回舱经降落伞减速后仍有8m/s左右的垂直速度,若不采取缓冲措施以此速度着陆,产生的着陆冲击过载仍能使航天员受伤。对于火星探测着陆器来说,由于火星大气非常稀薄,一般经降落伞减速后其稳降速度仍达到几十米每秒,必须采取进一步的减速缓冲措施才能确保着陆器安全着陆。因此,对于这一类航天器来说, 最后的减速缓冲着陆阶段称为着陆段 。
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