Nota edytora: ten post został napisany przez Andy'ego Tomaswicka, inżyniera elektryka, który śledzi naukę i technologię kosmiczną.
Jednym z najtrudniejszych technicznie zadań przyszłych misji załogowych na Marsa jest bezpieczne sprowadzenie astronautów na ziemię. Połączenie wysokiej prędkości potrzebnej do krótkiej podróży w kosmosie i znacznie lżejszej marsjańskiej atmosfery stwarza problem aerodynamiczny, który do tej pory został rozwiązany tylko dla robotów kosmicznych. Jeśli pewnego dnia ludzie będą chodzić po zakurzonej powierzchni Marsa, musimy najpierw opracować lepsze technologie zejścia i lądowania (EDL).
Technologie te są częścią niedawnego spotkania Lunar Planetary Institute (LPI), konferencji The Concepts and Approaches for Mars Exploration, która odbyła się w dniach 12-14 czerwca w Houston, podczas której skoncentrowano się na najnowszych postępach w technologiach, które mogą rozwiązać problem EDL.
Spośród wielu technologii zaprezentowanych na spotkaniu większość zdawała się obejmować wielopoziomowy system obejmujący kilka różnych strategii. Różne technologie, które wypełnią te poziomy, są częściowo zależne od misji i wszystkie nadal wymagają więcej testów. Trzy najczęściej dyskutowane to hipersoniczne nadmuchiwane aerodynamiczne spowalniacze (HIAD), naddźwiękowy napęd retro (SRP) i różne formy aerobrakingu.
HIAD są zasadniczo dużymi osłonami cieplnymi, powszechnie znajdowanymi w wielu typach załogowych kapsuły powrotnej stosowanej w ciągu ostatnich 50 lat lotów kosmicznych. Działają przy użyciu dużej powierzchni, aby wytworzyć wystarczającą siłę ciągu w atmosferze planety, aby spowolnić poruszającą się jednostkę do rozsądnej prędkości. Ponieważ ta strategia od lat tak dobrze sprawdza się na Ziemi, naturalne jest przeniesienie tej technologii na Marsa. Wystąpił problem z tłumaczeniem.
HIAD polegają na oporze powietrza ze względu na jego zdolność do spowalniania jednostki. Ponieważ Mars ma znacznie cieńszą atmosferę niż Ziemia, ten opór nie jest tak skuteczny w spowalnianiu powrotu. Ze względu na ten spadek skuteczności, HIAD są brane pod uwagę tylko w połączeniu z innymi technologiami. Ponieważ jest również stosowany jako osłona termiczna, musi być przymocowany do statku na początku powrotu, gdy tarcie powietrza powoduje ogromne nagrzewanie się niektórych powierzchni. Gdy pojazd zwolni do prędkości, w której ogrzewanie nie stanowi już problemu, HIAD zostaje zwolniony, aby umożliwić innym technologiom przejęcie reszty procesu hamowania.
Jedną z tych innych technologii jest SRP. W wielu programach po wydaniu HIAD SRP staje się przede wszystkim odpowiedzialny za spowolnienie jednostki. SRP to technologia lądowania powszechnie stosowana w science fiction. Ogólna idea jest bardzo prosta. Te same typy silników, które przyspieszają statek kosmiczny w celu uniknięcia prędkości na Ziemi, można zawrócić i użyć do zatrzymania tej prędkości po osiągnięciu celu. Aby spowolnić statek, albo odwróć oryginalne wzmacniacze rakiety po ponownym wejściu, albo zaprojektuj rakiety skierowane do przodu, które będą używane tylko podczas lądowania. Technologia rakiet chemicznych potrzebna do tej strategii jest już dobrze poznana, ale silniki rakietowe działają inaczej, gdy poruszają się z prędkością naddźwiękową. Należy wykonać więcej testów, aby zaprojektować silniki, które będą w stanie poradzić sobie z naprężeniami takich prędkości. SRP zużywają również paliwo, które statek będzie musiał pokonać na całej długości Marsa, przez co jego podróż będzie bardziej kosztowna. SRP większości strategii są również odrzucane w pewnym momencie zejścia. Zrzucenie ciężaru i trudność kontrolowanego zejścia podczas podążania za słupem ognia do miejsca lądowania pomagają w podjęciu tej decyzji.
Gdy odpadną wzmacniacze SRP, w większości projektów przejmą technologię aerobraking. Często omawianą technologią podczas konferencji był balut, balon kombinowany i spadochron. Ideą tej technologii jest uchwycenie powietrza, które leci obok jednostki desantowej i użycie jej do wypełnienia kuli, która jest przywiązana do jednostki. Sprężenie powietrza wpadającego do kuli spowodowałoby podgrzanie gazu, w efekcie tworząc balon na gorące powietrze, który miałby podobne właściwości do podnoszenia jak te stosowane na Ziemi. Zakładając, że wystarczająca ilość powietrza zostanie wpuszczona do ballute, może zapewnić końcowe spowolnienie potrzebne do delikatnego zrzucenia lądownika na powierzchnię Marsa, przy minimalnym obciążeniu ładunku. Jednak łączna ilość tej technologii spowolniłaby jednostkę zależy od ilości powietrza, którą mogłaby wstrzyknąć do swojej struktury. Im więcej powietrza, tym większa ballute i większe obciążenia materiału, z którego wykonana jest ballute. Biorąc pod uwagę powyższe rozważania, nie jest uważany za samodzielną technologię EDL.
Strategie te ledwo zarysowują powierzchnię proponowanych metod EDL, które mogłyby być wykorzystane przez ludzką misję na Marsie. Curiosity, najnowszy łazik, który wkrótce wyląduje na Marsie, używa kilku, w tym unikalnej formy SRP znanej jako Sky Crane. Wyniki jego systemów pomogą naukowcom, takim jak ci z konferencji LPI, ustalić, jaki pakiet technologii EDL będzie najbardziej skuteczny w przyszłych misjach ludzkich na Marsa.
Ołówek podpis obrazu: Artystyczna koncepcja hipersonicznego nadmuchiwanego aerodynamicznego spowalniacza spowalniającego wejście statku kosmicznego w atmosferę. Źródło: NASA
Drugi podpis obrazu: Naddźwiękowe odrzutowce są wystrzeliwane przed statek kosmiczny w celu spowolnienia pojazdu podczas wchodzenia w atmosferę Marsa przed uruchomieniem spadochronu. Zdjęcie przedstawia Mars Science Lab przy Mach 12 z 4 naddźwiękowymi strumieniami wstecznego napędu. Źródło: NASA
Źródło: Koncepcja LPI i podejścia do eksploracji Marsa
