Škoda, da je Mars tako zanimiv kraj, saj je dejansko eden najtežjih krajev za obisk v Osončju, še posebej, če želite prinesti veliko prtljage. Ta planet je pokopališče misij, ki ga še niso dosegli.
Ko se naše ambicije povečujejo in razmišljamo o raziskovanju Marsa s človeki - morda celo bodočimi kolonisti -, bomo morali rešiti enega največjih težav pri raziskovanju vesolja.
Uspešno pristajanje težkih tovorov na površini Marsa je res težko narediti.
Z Marsom je ogromno izzivov, vključno s pomanjkanjem zaščitne magnetosfere in nižjo površinsko gravitacijo. Toda ena največjih je njegova tanka atmosfera ogljikovega dioksida.
Če bi stali na površini Marsa brez vesoljske obleke, bi se zmrznili do smrti in izginili zaradi pomanjkanja kisika. Toda tudi na Zemlji boste imeli manj kot 1% atmosferskega tlaka, ki ga uživate.
In izkazalo se je, da je zaradi tega tankega ozračja izredno zahtevno, da se pomembne koristne obremenitve varno spustijo na površje Rdečega planeta. Dejansko je le 53% misij na Mars dejansko opravilo pravilno.
Pogovorimo se o tem, kako so v preteklosti delale misije na Mars, in pokazal vam bom, v čem je težava.
Pristanek na Marsu je najhujše
Zgodovinsko gledano se misije na Mars začnejo z Zemlje med letali, ki se odpirajo vsaki dve leti, ko sta Zemlja in Mars bližje skupaj. ExoMars je letel v letu 2016, InSight leta 2018, rover Mars 2020 pa bo letel v, no, 2020.
Naloge sledijo medplanetarni poti prenosa, namenjeni najhitrejšim dosežkom, ali z najmanj goriva.
Ko vesoljsko plovilo vstopa v ozračje Marsa, gre na desetine tisoč kilometrov na uro. Nekako mora izgubiti vso to hitrost, preden nežno pristane na površini Rdečega planeta.
Tu na Zemlji lahko s pomočjo toplotnega ščita upočasnite svoj spust, tako da s hitrostjo odtečete od hitrosti. Ploščice vesoljskega shuttlea so bile zasnovane tako, da absorbirajo toploto ob ponovnem vstopu, saj je 77-tonski orbiter od 28.000 km / h prešel na nič.
Podobno tehniko bi lahko uporabili na Veneri ali na Titanu, kjer imajo gosto atmosfero.
Luna je brez kakršnega koli ozračja tudi razmeroma enostavna za pristajanje. Brez kakršne koli atmosfere ni potrebe po toplotnem ščitu, samo s pogonom upočasnite svojo orbito in pristanete na površini. Dokler prinesete dovolj pogonskega sredstva, lahko pristanek prilepite.
Nazaj na Mars, z vesoljskim plovilom, ki se je v več kot 20.000 kilometrov na uro zaletaval v tanko atmosfero.
Radovednost je meja
Tradicionalno so se misije začele spuščati z aeroshelom, da bi odstranile nekaj hitrosti vesoljskega plovila. Najtežja misija, poslana na Mars, je bil Curiosity, ki je tehtal 1 metrsko tono, oziroma 2200 funtov.
Ko je vstopil v marsovsko ozračje, je vozil 5,9 kilometra na sekundo, oziroma 22.000 kilometrov na uro.
Radovednost je imela največji aeroshell, ki je bil kdajkoli poslan na Mars, in je meril 4,5 metra. Ta ogromna aeroshell je bila nagnjena pod kotom, kar je vesoljskim plovilom omogočalo manevriranje, ko zadene v tanko atmosfero Marsa in si prizadeva za določeno pristajalno območje.
Na približno 131 kilometrih nadmorske višine bi vesoljsko plovilo začelo izstreljevati potisnike, da bi prilagodilo smer, ko se je približalo površju Marsa.
Približno 80 sekund leta skozi atmosfero so se temperature na toplotnem ščitu dvignile na 2.100 stopinj Celzija. Da se toplotni ščit ne bi stopil, je uporabil poseben material, imenovan Phenolic Impregnated Carbon Ablator, ali PICA. Mimogrede, isti material uporablja SpaceX za svoje Zmajeve kapsule.
Ko je hitrost upočasnila na nižjo stopnjo od Macha 2.2, je vesoljsko plovilo postavilo največje padalo, ki je bilo kdajkoli izdelano za misijo na Mars - 16 metrov čez. To padalo bi lahko ustvarilo 29.000 kilogramov vlečne sile in ga še bolj upočasnilo.
Linije vzmetenja so bile narejene iz Technore in Kevlarja, ki sta precej močnejši in najbolj toplotno odporni materiali, ki jih poznamo.
Nato je izstrelil svoj padal in uporabil raketne motorje, da je še bolj upočasnil spust. Ko je bilo dovolj blizu, je Curiosity postavil skiciran, ki je rover nežno spustil na površje.
To je hitra različica. Če želite obsežen pregled tega, kaj je radovednost preživela pri pristajanju na Marsu, toplo priporočam, da si ogledate knjigo Emily Lakdawalla "Oblikovanje in inženiring radovednosti".
Radovednost je tehtala le eno tono.
Težji je, če se ne meri
Želite storiti isto s težjimi koristnimi obremenitvami? Prepričan sem, da si predstavljate večje aeroshele, večje padalce, večje skycrane.
Teoretično bo SpaceX Starship na površino Marsa poslal 100 ton kolonistov in njihovih stvari.
Tu je težava. Metode zaviranja v marsovskem ozračju ne dosegajo zelo dobro.
Najprej začnimo s padali. Iskreno povedano, pri 1 toni je Radovednost približno tako težka, kot bi jo lahko dobili s padalom. Kakršni koli težji in preprosto ni nobenega materiala, ki bi ga inženirji materiala lahko uporabljali za obvladovanje obremenitve.
Pred nekaj meseci so NASA-in inženirji proslavili uspešen preizkus Raziskovalnega eksperimenta Advanced Supersonic Parachute Inflation Research, ali ASPIRE. To je padalo, ki se bo uporabljalo za misijo roverja Mars 2020.
Na zvočno raketo so postavili padalo, narejeno iz naprednih kompozitnih tkanin, kot so najlon, Technora in Kevlar, in ga izstrelili na višino 37 kilometrov, kar posnema pogoje, ki jih bo vesoljsko plovilo doživelo ob prihodu na Mars.
Padalci so se v delčku sekunde razmeščali in povsem napihnjeni so doživeli 32.000 kilogramov sile. Če bi bili takrat na krovu, bi doživeli 3,6-krat večjo silo, kot da bi se z varnostnim pasom zaleteli v steno s hitrostjo 100 km / h. Z drugimi besedami, ne bi preživeli.
Če bi bilo vesoljsko plovilo kaj težje, bi moralo biti iz nemogočih sestavljenih tkanin. In pozabi na potnike.
Nasa preizkuša različne zamisli, da bi na Marsu pristala težja koristna obremenitev, in sicer kar 3 tone.
Ena ideja se imenuje nadzvočni decelerator z nizko gostoto ali LDSD. Ideja je, da uporabimo veliko večji aerodinamični zaviralec, ki bi se napihnil okoli vesoljskega plovila kot poskočen grad, ko vstopi v marsovsko gravitacijo.
Leta 2015 je NASA dejansko preizkusila to tehnologijo, ki je prototipno vozilo nosila na balonu do nadmorske višine 36 kilometrov. Vozilo je nato izstrelilo svojo trdno raketo in jo preneslo na višino 55 kilometrov.
Ko je raketiral navzgor, je svoj nadzvočni napihljivi aerodinamični decelerator napihnil do premera 6 metrov (ali 20 čevljev), kar ga je nato upočasnilo nazaj na Mach 2.4. Na žalost se njegovo padalo ni pravilno namestilo, zato je strmoglavilo v Tihi ocean.
To je napredek. Če bodo dejansko zmogli inženirstvo in fiziko, bomo nekoč lahko videli 3-tonsko vesoljsko plovilo, ki pristane na površini Marsa. Tri cele tone.
Več pogona, manj tovora
Naslednja ideja za povečanje pristajanja na Marsu je uporaba večjega pogona. Teoretično lahko le prinesete več goriva, ob prihodu na Mars izstrelite rakete in prekličete vso to hitrost. Težava je seveda v tem, da kolikor več mase moraš imeti, da se upočasni, manj mase lahko dejansko pristaneš na površini Marsa.
SpaceX Starship naj bi uporabil propulziven pristanek, da bi se spustil 100 ton na površino Marsa. Ker gre po bolj neposredni, hitrejši poti, bo Starship udaril v marsovsko ozračje hitreje kot 8,5 km / s in nato z aerodinamičnimi silami upočasnil vstop.
Seveda ni treba iti tako hitro. Starship bi lahko uporabil aerobraking in se skozi zgornjo atmosfero večkrat prelil, da bi odzračil hitrost. Pravzaprav je to metoda, ki jo uporabljajo orbitalna vesoljska plovila, ki gredo na Mars.
Potem pa bi potniki na krovu morali preživeti tedne, da bi se vesoljsko plovilo upočasnilo in šlo v orbito okoli Marsa ter se nato spustilo skozi ozračje.
Kot pravi Elon Musk, je njegova neprijetno neintuitivna strategija za ravnanje z vso toploto zgraditi vesoljsko plovilo iz nerjavečega jekla, nato pa bodo drobne luknje v lupini odnesle metansko gorivo in tako ohranile hladno vetrovno stran vesoljskega plovila.
Ko doseže dovolj hitrosti, se bo obrnil, zažgal svoje motorje Raptor in nežno pristal na površini Marsa.
Cilj za tla, v zadnjem trenutku potegnite navzgor
Vsak kilogram goriva, ki ga vesoljsko plovilo upočasni spust na površino Marsa, je kilogram tovora, ki ga ne more prepeljati na površje.
Nisem prepričan, da obstaja kakšna izvedljiva strategija, ki bi zlahka pristala na velikih površinah Marsa. Pametnejši ljudje kot jaz menim, da je brez uporabe ogromnih pogonskih goriv to skoraj nemogoče.
Kljub temu Elon Musk misli, da obstaja način. In preden bomo popustili njegove ideje, si oglejmo dvojna bočna ojačevalca iz rakete Falcon Heavy popolnoma skupaj.
In ne bodite pozorni na to, kaj se je zgodilo z osrednjim ojačevalnikom.
Nova študija oddelka za vesoljsko vesolje na univerzi v Illinoisu v Urbani-Champaign predlaga, da bi lahko misije na Mars izkoristile debelejšo atmosfero, ki je bližje površini Marsa.
V svojem prispevku z naslovom "Možnosti vhodne poti za vozila z visoko balistično koeficientom na Marsu" raziskovalci predlagajo, da se vesoljskim plovilom, ki letijo na Mars, ne mudi tako hitro, da bi se znebili hitrosti.
Ko vesoljsko plovilo kriči skozi ozračje, bo še vedno lahko ustvarilo veliko aerodinamičnega dvigala, ki ga je mogoče uporabiti za njegovo usmerjanje skozi ozračje.
Vodili so izračune in ugotovili, da je idealen kot vesoljskega plovila usmeriti naravnost navzdol in se potapljati proti površju. Nato se v zadnjem možnem trenutku potegnite navzgor z aerodinamičnim dvigalom, da letete bočno skozi najdebelejši del atmosfere.
To poveča vleko in omogoča, da se znebite največ hitrosti, preden vklopite motorje za spuščanje in dokončate svoj pristanek na električni pogon.
To se sliši, hm, zabavno.
Če bo človeštvo na površini Marsa zgradilo sposobnost za preživetje, bomo to težavo morali odpraviti. Razviti bomo morali vrsto tehnologij in tehnik, s katerimi bo pristajanje na Mars zanesljivejše in varnejše.
Sumim, da bo to veliko bolj zahtevno, kot ljudje pričakujejo, vendar se veselim idej, ki bodo preizkušene v prihodnjih letih.
Velika hvala Nancy Atkinson, ki je tu smo obravnavali to temo v reviji Space Magazine pred več kot desetletjem in me navdihnil za delo na tem videu.
