火星探测器如何缓冲着陆？从流浪地球的逃生气囊谈起。
The following article is from 科学大院 Author 黄宛宁
在电影《流浪地球》中，主人公刘启三次使用了一种逃生气囊球，每次都起到了不同的作用，给人留下了深刻印象，今天带大家看一看这里面的技术细节。
G3逃生气囊球
刘启房间里贴的救生气囊设计图纸，应该是他自己发明、CX工厂代工的G3逃生气囊球——气囊球发生器原型，作为刘启的法宝，气囊球在片中使用了三次，三次都起了大作用。
第一次刘启手动启动充气囊弹飞了黑社会。
逃生气囊球在收纳状态体积跟易拉罐近似，单手可操作，刘启腰间别了三个这样的装置。
这里有一个细节：刘启在手持救生装置的情况下，充气展开的结果是刘启处在气囊外边，并没有把刘启包围住，影片后面刘启是在气囊外部点爆气囊，利用冲击波压制黑社会。
第二次使用，是在运载车通过峡谷时，地震导致峭壁上方不断有碎石坠落，刘启情急之下打开救生囊，让达叔和朵朵进去暂时避险。由此看出，逃生气囊球的材料是有一定强度的，能够顶住碎石冲击不被划破。
第三次使用是刘启从高空跳下，利用高超的身体控制能力追上朵朵后打开救生囊，气囊充气后直接将两人裹在气囊内层（注意这个细节与第一次刘启使用逃生气囊不同，不排除有不同模式的触发开关或者操作技巧），落地缓冲后，两人安然无恙，但气囊很快就被尖锐的运载车残片戳破。
顺便说一句，对于刘启能够追上朵朵这个问题，道理很简单：两人的坠落姿势不同，朵朵是横躺姿势，而刘启是跳水姿势，阻力比朵朵小很多，所以也存在追上朵朵的可能，其原理类似于高空跳伞运动。
高空跳伞运动，人们陆续跳出飞机后通过身体姿态调整，“飞”到一个水平面上
逃生气囊球的灵感
1、汽车安全气囊与快速充气
从快速充气的特点来看，一定是依靠化学反应，快速释放出了缓冲气体，这一点与家用汽车的安全气囊毫无二致。
气囊充气系统与固体火箭助推器的原理相同。安全气囊系统点燃的是“固体推进剂”，后者的燃烧极为迅速，可产生大量气体为气囊充气。随后，气囊爆炸般地冲出原始安装位置，时速高达322公里，比眨一下眼睛还要快！1秒之后，气体通过气囊上的小孔迅速消散，气囊收缩，因此乘客又可以自由移动。
有所不同的是，家用汽车的安全气囊是靠冲撞触发的，而刘启的气囊是手动触发的，而且可以延时展开（第二次就是刘启按了开关之后将救生球扔在空中，然后充气展开），第三次虽然没有看到展开的一瞬间，但根据常理，应该是刘启追上朵朵之后立即手动展开气囊，然后气囊触地起到了缓冲的作用。
2、太空球与气囊结构
从充气气囊的结构来看，双层球体结构与安全气囊的单层不同，灵感可以说来自于娱乐项目的太空球，或者叫悠波球，这一产品，成龙大哥在《飞鹰计划》中有一段精彩的展示。
成龙大哥娴熟驾驭双层球囊太空球
影片中成龙大哥的悠波球充气使用的是小瓶装高压气瓶，充气速度稍慢，气瓶具有一次性，不可重复利用。
可以说刘启的救生气囊跟悠波球的结构几乎完全一样，那么关键技术就在于如何在可穿戴或手持的情况下，快速利用化学反应形成全向包覆的球体结构对人体进行缓冲，这是工程设计的细节，科幻电影自然可以跳过这部分。
刘启的逃生气囊球，看似简单的玩具，通过几次使用已经完全展示了其技术优点：体积小，便于随身携带；快速充气展开；球体材料具有一定强度，能抵抗小的碎石冲撞；高空坠落时起缓冲作用。这种充气展开结构技术在航天领域也有重要的应用，例如——充气式超低弹道再入系数减速器。
3、充气式大气再入减速技术
这是个什么鬼？别急，我们先从去年埃隆·马斯克吹过的一个牛说起。
2018年4月15日，伊隆‧马斯克在twitter上透露了这样的消息：“这听起来会很疯狂，但…… SpaceX将尝试用一个巨型派对气球，把处于轨道速度的火箭上面级带回来。”
一般人吹的牛就算了，马斯克说的一定要重视，因为保不齐哪天他就真弄出来了，于是科学家和工程师们开始了一顿畅想。
一个气球减速伞的概念图。图片来源：Kees Veenenbos
马里兰大学教授戴维‧埃金（David Akin）对再入系统的研究已超过20年，他表示，“此前就有人提出过这样的概念（气球减速伞），在航天器返回时释放一个巨型气球，并通过线缆拖在身后。气球能够降低弹道系数，使航天器在更高的大气层中减速，降低所受到的热负荷。”所以，再入火箭需要在接近地表之前就降低速度，因为越靠近地表，大气层就越厚，产生热量就越高。
“这并非易事。” 埃金教授认为，“要达到马斯克的目标，即弹道系数降低两个数量级，气球的直径就必须达到36米以上，还要由耐高温织物制成。”言下之意，就是不靠谱。马斯克所说的派对气球可能只是打个比喻，上面级回收更有可能使用的是一种充气结构减速器。
在航天历史上，曾有过使用充气结构帮助航天器返回的先例。2000年2月，俄罗斯在其佛盖特火箭的上面级上配备了可充气的再入及降落装置，可上面级在落回地面时恰逢一场暴风雪，从此再也没有被找到。
俄罗斯在佛盖特火箭上面级上曾经测试过的可充气再入及降落装置，左为未充气的状态，右为充气后的状态。
图片来源：space.skyrocket.de
NASA针对火星重载着陆减速器研究的LDSD计划也包含了此类的减速器，即可充气展开气动减速装置（Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerators，SIAD），并在2014年和2015年各进行了一次高空气球搭载的飞行测试，并实现了设计目标，将减速器从3.5马赫速度降低到了2马赫。（相关链接：典藏版 | NASA低密度超音速减速器(LDSD)球载飞行试验）
SIAD收纳状态下LDSD飞行测试装置外形
SIAD展开状态下LDSD飞行测试装置外形
充气结构可以在不改变飞行器本身重量的情况下快速改变飞行器体积，增加阻力，从而起到减速的作用。我国的航天工程师们已经在该领域取得了不错的成果。
2018年5月18日，中国航天科技集团五院508所组织开展了新型充气式再入减速技术（IRDT）飞行演示验证试验。试验验证了IRDT技术的工作原理、工作程序和多项关键技术，取得圆满成功。这是我国在该技术领域进行的首次飞行试验。
我国首次完成这一试验，未来航天返回器或将不需防热大底、降落伞
返回器充气前状态
基于IRDT技术的返回器，能够实现承载、减速、防热一体化设计，可实现自主离轨、返回、着陆，甚至不再需要传统返回器必需的防热大底、降落伞、缓冲气囊及其必需的附属设备，设计大大简化。
该技术可应用于空间站及科学试验卫星试验品和货物的快速下行、返回，也能为深空探测器安全着陆提供帮助。
4、气囊缓冲着陆技术
除了再入减速，气囊缓冲着陆也是充气式结构在航天领域应用的一个重要方向。气囊缓冲着陆技术是通过压缩气囊内气体做功的方式将着陆的动能转化为势能，分为封闭式和开口式气囊技术。封闭式气囊不会对外漏气，势能在弹跳过程中会还原为动能，能量通过内部气孔方式耗散。这种情况适用于对着陆表面地形了解不清楚、着陆速度具有很大水平分量（风速）的情况，例如火星探路者（MPF）和火星漫游者（MER）。
开口式气囊在第一次压缩时就开口释放气体，允许一部分能量耗散到周边大气中。其特点是气囊总尺寸小，只需要覆盖着陆体的一个面，适用于着陆表面地形明确、着陆器不易发生翻滚的情况，例如地球和月球表面。
美国的“猎户座”载人再入运载工具，采用了开放式充气缓冲结构：
第一代猎户座充气缓冲系统采用对称8离散嵌套气囊设计，通过主动冷气系统充气。排气孔采用主动控制开口释放能量，使着陆器一次性钉在地面。每个离散气囊的结构采用双层大小气囊嵌套布局，外部的主气囊起主要缓冲作用，内气囊主要防止载荷触底碰撞，且停稳后提供稳定平台。
猎户座一代充气缓冲结构设计
猎户座二代充气缓冲结构
封闭式气囊着陆装置是现代航空航天装置投放系统采用的一种非常有效的技术方案，在火星上得到最多的应用。1997年“火星探路者（MRF）”和2004年双胞胎火星车“勇气”（MER-A,spirit）及“机遇”（MER-B，Opportunity）的成功着陆是全向封闭式气囊技术应用的高峰。
MPF全向式气囊
MPF气囊分系统包括气囊组件、固体推进剂气体发生器（用于气囊充气并在着陆完成前保持气囊加压状态），以及小型制动器（用于着陆后气囊收缩）。每个侧气囊由6个直径为1.8m的球形瓣组成。MPF气囊应用Hoechest-Celanese公司生产的Vectran材料，这一种不易磨损的液晶芳香族聚酯纤维。和开口式气囊靠放气吸能不同的是，封闭式气囊没有阀门，为了避免过多的弹跳，气囊瓣之间的隔膜开有内气孔，用以提供部分阻尼。
为了防止被锋利岩石刺破，MFR采用了6层改进后的vectran织物，当然这是有代价的，气囊系统的总重达到了99kg，在影片中，如果作为单人救生气囊，整天背着99kg的气囊系统是不现实的，所以影片中的逃生气囊相对轻薄，看起来类似聚乙烯的材料，但却出现了被锐物刺破的情况。
结语
《流浪地球》影片中刘启的逃生气囊的灵感来源于汽车安全气囊、玩具太空球、充气式大气再入减速技术和气囊缓冲着陆技术等，所以硬核科幻细节还是经得起考验的（当然这只是笔者自己的解读，既然是科幻大片，拽点航天技术应该能加分）。
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