Szkoda, że Mars jest tak interesującym miejscem, ponieważ jest to jedno z najtrudniejszych miejsc do odwiedzenia w Układzie Słonecznym, szczególnie jeśli chcesz zabrać ze sobą dużo bagażu. Ta planeta to cmentarz misji, które do końca nie dotarły.
Gdy nasze ambicje rosną i myślimy o eksploracji Marsa z ludźmi - może nawet przyszłymi kolonistami - będziemy musieli rozwiązać jeden z największych problemów w eksploracji kosmosu.
Skuteczne lądowanie ciężkich ładunków na powierzchni Marsa jest naprawdę bardzo trudne.
Mars ma wiele wyzwań, w tym brak ochronnej magnetosfery i niższą grawitację powierzchniową. Ale jednym z największych jest jego rzadka atmosfera dwutlenku węgla.
Gdybyś stał na powierzchni Marsa bez skafandra kosmicznego, zamarzłby na śmierć i uduszony brakiem tlenu. Ale na Ziemi odczujesz mniej niż 1% ciśnienia atmosferycznego.
I okazuje się, że ta rzadka atmosfera sprawia, że niezwykle trudne jest bezpieczne dotarcie znacznych ładunków na powierzchnię Czerwonej Planety. W rzeczywistości tylko 53% misji na Marsa faktycznie się udało.
Porozmawiajmy więc o tym, jak misje na Marsa działały w przeszłości, a ja pokażę, na czym polega problem.
Lądowanie na Marsie jest najgorsze
Historycznie misje na Marsa są uruchamiane z Ziemi podczas okien lotu, które otwierają się co około dwa lata, gdy Ziemia i Mars są bliżej siebie. ExoMars poleciał w 2016 roku, InSight w 2018 roku, a łazik Mars 2020 przyleci, no cóż, 2020.
Misje odbywają się zgodnie z trajektorią transferu międzyplanetarnego, zaprojektowaną tak, aby dotrzeć tam najszybciej lub z najmniejszą ilością paliwa.
Gdy statek kosmiczny wchodzi w atmosferę Marsa, leci dziesiątki tysięcy kilometrów na godzinę. Musi jakoś stracić całą prędkość, zanim delikatnie wyląduje na powierzchni Czerwonej Planety.
Tutaj, na Ziemi, możesz użyć gęstej ziemskiej atmosfery, aby spowolnić zejście, osłabiając prędkość tarczą cieplną. Płytki promu kosmicznego zostały zaprojektowane tak, aby pochłaniać ciepło ponownego wejścia, ponieważ orbitator o masie 77 ton wzrósł z 28 000 km / h do zera.
Podobną technikę można zastosować na Wenus lub Tytanie, gdzie mają gęstą atmosferę.
Księżyc, bez żadnej atmosfery, jest stosunkowo łatwy do wylądowania. Bez żadnej atmosfery nie ma potrzeby stosowania osłony cieplnej, wystarczy użyć napędu, aby spowolnić orbitę i wylądować na powierzchni. Dopóki przyniesiesz wystarczającą ilość paliwa, możesz zablokować lądowanie.
Z powrotem na Marsa, ze statkiem kosmicznym lecącym w jego cienkiej atmosferze z prędkością ponad 20 000 kilometrów na godzinę.
Ciekawość jest granicą
Tradycyjnie misje rozpoczynały zejście z aeroshell, aby usunąć część prędkości statku kosmicznego. Najcięższą misją, jaką kiedykolwiek wysłano na Marsa, była Curiosity, która ważyła 1 tonę metryczną, czyli 2200 funtów.
Kiedy wkroczył w marsjańską atmosferę, leciał 5,9 km na sekundę, czyli 22 000 km na godzinę.
Ciekawość miała największa aeroshell, jaką kiedykolwiek wysłano na Marsa, o średnicy 4,5 metra. Ta ogromna aeroshell została przechylona pod kątem, umożliwiając manewrowanie statkiem kosmicznym, gdy uderza on w cienką atmosferę Marsa, dążąc do określonej strefy lądowania.
Na wysokości około 131 kilometrów statek kosmiczny zacząłby wystrzelić pędniki, aby idealnie dostosować trajektorię zbliżania się do powierzchni Marsa.
Około 80 sekund lotu w atmosferze temperatura na osłonie termicznej wzrosła do 2100 stopni Celsjusza. Aby się nie stopić, w osłonie termicznej zastosowano specjalny materiał o nazwie Ablator impregnowany węglem fenolowym lub PICA. Nawiasem mówiąc, ten sam materiał, którego używa SpaceX w Dragon Capsules.
Po spowolnieniu do prędkości mniejszej niż Mach 2.2, statek kosmiczny wysłał największy spadochron, jaki kiedykolwiek zbudowano dla misji na Marsa - o średnicy 16 metrów. Ten spadochron mógł wygenerować 29 000 kilogramów siły oporu, co jeszcze bardziej spowolniłoby go.
Linie zawieszenia zostały wykonane z Technory i Kevlaru, które są właściwie najmocniejszymi i najbardziej odpornymi na ciepło materiałami, jakie znamy.
Potem rzucił spadochron i użył silników rakietowych, by jeszcze bardziej spowolnić zejście. Gdy było już wystarczająco blisko, Curiosity rozmieściło wieżowiec, który delikatnie opuścił łazik na powierzchnię.
To jest szybka wersja. Jeśli chcesz uzyskać obszerny przegląd tego, co Ciekawość przeszła przez lądowanie na Marsie, gorąco polecam przejrzenie „Design and Engineering of Curiosity” Emily Lakdawalla.
Ciekawość ważyła tylko jedną tonę.
Going Heavier nie skaluje się
Chcesz zrobić to samo z większymi ładunkami? Jestem pewien, że wyobrażasz sobie większe aeroshell, większe spadochrony, większe skycranes.
Teoretycznie statek kosmiczny SpaceX wyśle 100 ton kolonistów i ich rzeczy na powierzchnię Marsa.
Oto problem. Metody zmniejszania prędkości w marsjańskiej atmosferze nie skalują się zbyt dobrze.
Najpierw zacznijmy od spadochronów. Szczerze mówiąc, przy 1-tonie ciekawość jest tak ciężka, jak to tylko możliwe, używając spadochronu. Cięższe i po prostu nie ma żadnych materiałów, które inżynierowie mogliby zastosować, aby poradzić sobie z obciążeniem spowalniającym.
Kilka miesięcy temu inżynierowie NASA świętowali udany test Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment, czyli ASPIRE. To spadochron, który będzie używany podczas misji łazika Mars 2020.
Umieścili spadochron wykonany z zaawansowanych materiałów kompozytowych, takich jak nylon, Technora i Kevlar, na rakiecie i wystrzelili go na wysokość 37 kilometrów, naśladując warunki, w jakich znajdzie się statek kosmiczny, gdy dotrze na Marsa.
Spadochron rozmieszczony w ułamku sekundy, w pełni napompowany, doświadczył 32 000 kilogramów siły. Gdybyście wtedy byli na pokładzie, mielibyście 3,6 razy więcej siły niż uderzenie w ścianę przy prędkości 100 km / h przy pasie bezpieczeństwa. Innymi słowy, nie przeżyłbyś.
Jeśli statek kosmiczny byłby cięższy, musiałby być wykonany z niemożliwych materiałów kompozytowych. I zapomnij o pasażerach.
NASA wypróbowuje różne pomysły na wyładunek cięższych ładunków na Marsie, na przykład aż 3 tony.
Jeden pomysł nazywa się zwalniaczem naddźwiękowym o niskiej gęstości lub LDSD. Chodzi o to, aby użyć znacznie większego aerodynamicznego spowalniacza, który napełniałby statek kosmiczny jak nadmuchiwany zamek, gdy wchodzi on w grawitację marsjańską.
W 2015 roku NASA faktycznie przetestowało tę technologię, przewożąc prototypowy pojazd balonem na wysokość 36 kilometrów. Następnie pojazd wystrzelił swoją stałą rakietę, przenosząc ją na wysokość 55 kilometrów.
Gdy leciał w górę, nadmuchał swój naddźwiękowy aerodynamiczny zwalniacz aerodynamiczny do średnicy 6 metrów (lub 20 stóp), co spowolniło go z powrotem do Mach 2.4. Niestety spadochron nie ułożył się prawidłowo, więc uderzył w Ocean Spokojny.
To postęp. Jeśli rzeczywiście potrafią wypracować inżynierię i fizykę, moglibyśmy kiedyś zobaczyć 3-tonowy statek kosmiczny lądujący na powierzchni Marsa. Trzy całe tony.
Więcej napędu, mniej ładunku
Następnym pomysłem na powiększenie lądowania na Marsie jest użycie większego napędu. Teoretycznie możesz po prostu nosić więcej paliwa, strzelać rakietami po przybyciu na Marsa i anulować całą tę prędkość. Problem polega oczywiście na tym, że im więcej masy trzeba przynieść, aby spowolnić, tym mniej masy można faktycznie wylądować na powierzchni Marsa.
Oczekuje się, że statek kosmiczny SpaceX użyje napędu lądowania, aby sprowadzić 100 ton na powierzchnię Marsa. Ponieważ obiera bardziej bezpośrednią, szybszą drogę, statek kosmiczny uderzy w marsjańską atmosferę szybciej niż 8,5 km / s, a następnie użyje sił aerodynamicznych, aby spowolnić swój lot.
Oczywiście nie musi iść tak szybko. Statek kosmiczny mógł korzystać z aerobrakingu, kilkakrotnie przepuszczając górną atmosferę, aby spuścić prędkość. W rzeczywistości jest to metoda wykorzystywana przez orbitalne statki kosmiczne zmierzające na Marsa.
Ale wtedy pasażerowie na pokładzie musieliby spędzić tygodnie, aby statek kosmiczny zwolnił i wkroczył na orbitę wokół Marsa, a następnie opuścił atmosferę.
Według Elona Muska, jego uroczo nieintuicyjna strategia radzenia sobie z całym tym ciepłem polega na zbudowaniu statku kosmicznego ze stali nierdzewnej, a następnie małe dziury w skorupie spowodują upuszczenie paliwa metanowego, aby utrzymać chłodny bok statku.
Gdy osiągnie wystarczającą prędkość, zacznie się obracać, odpalać silniki Raptor i lądować delikatnie na powierzchni Marsa.
Celuj w ziemię, podciągnij się w ostatniej chwili
Każdy kilogram paliwa wykorzystywanego przez statek kosmiczny do spowolnienia zejścia na powierzchnię Marsa to kilogram ładunku, którego nie może przenieść na powierzchnię.
Nie jestem pewien, czy istnieje jakaś realna strategia, która z łatwością wyładuje ciężkie ładunki na powierzchni Marsa. Mądrzejsi ode mnie ludzie uważają, że jest to prawie niemożliwe bez użycia ogromnych ilości paliwa.
To powiedziawszy, Elon Musk uważa, że istnieje sposób. A zanim pominiemy jego pomysły, zobaczmy idealnie dopalacze z rakiety Falcon Heavy.
I nie zwracaj uwagi na to, co stało się z centralnym wzmacniaczem.
Nowe badanie przeprowadzone przez Wydział Lotniczy na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign sugeruje, że misje na Marsa mogłyby skorzystać z gęstszej atmosfery, która jest bliżej powierzchni Marsa.
W artykule zatytułowanym „Opcje trajektorii wjazdu dla pojazdów o wysokim współczynniku balistycznym na Marsie” badacze sugerują, że statki kosmiczne lecące na Marsa nie muszą się tak spieszyć, aby pozbyć się prędkości.
Ponieważ statek kosmiczny krzyczy przez atmosferę, nadal będzie w stanie wygenerować dużo siły aerodynamicznej, którą można by wykorzystać do sterowania nim w atmosferze.
Przeprowadzili obliczenia i stwierdzili, że idealnym kątem było po prostu skierowanie statku kosmicznego prosto w dół i zanurkowanie w kierunku powierzchni. Następnie w ostatnim możliwym momencie podciągnij się za pomocą podnośnika aerodynamicznego, aby przelecieć na boki przez najgrubszą część atmosfery.
Zwiększa to opór i pozwala pozbyć się największej prędkości, zanim włączysz silniki zejścia i ukończysz lądowanie z napędem.
Brzmi fajnie.
Jeśli ludzkość zamierza zbudować realną przyszłość na powierzchni Marsa, będziemy musieli rozwiązać ten problem. Będziemy musieli opracować szereg technologii i technik, dzięki którym lądowanie na Marsie będzie bardziej niezawodne i bezpieczne.
Podejrzewam, że będzie to znacznie trudniejsze niż ludzie się spodziewają, ale nie mogę się doczekać pomysłów, które zostaną przetestowane w nadchodzących latach.
Ogromne podziękowania dla Nancy Atkinson, która omówiłem ten temat tutaj w Space Magazine ponad dziesięć lat temu i zainspirował mnie do pracy nad tym filmem.
