Šteta što je Mars tako zanimljivo mjesto, jer je to zapravo jedno od najtežih mjesta za posjetu Sunčevom sustavu, pogotovo ako želite ponijeti puno prtljage. Taj je planet groblje misija koje ga baš i nisu činile.
Kako naše ambicije rastu i razmišljamo o istraživanju Marsa s ljudima - možda čak i budućim kolonistima - trebat ćemo riješiti jedan od najvećih problema u svemiru.
Uspješno slijetanje teških korisnih tereta na površinu Marsa zaista je teško napraviti.
Ima puno izazova s Marsom, uključujući njegov nedostatak zaštitne magnetosfere i gravitacije niže površine. Ali jedna od najvećih je njegova tanka atmosfera ugljičnog dioksida.
Da ste stajali na površini Marsa bez svemirskog odijela, smrznuli biste se u smrt i asfiksirali od nedostatka kisika. Ali na Zemlji ćete također osjetiti manji od 1% atmosferskog pritiska u kojem uživate.
A ispada da je zbog ove tanke atmosfere nevjerojatno izazovno doći do značajnog korisnog opterećenja na površinu Crvene planete. U stvari, samo 53% misija na Mars zapravo je ispravno odrađeno.
Pa razgovarajmo o tome kako su prošli misije na Mars, a ja ću vam pokazati u čemu je problem.
Slijetanje na Mars je najgore
Povijesno gledano, misije na Mars pokreću se sa Zemlje tijekom prozora leta koji se otvaraju svake dvije godine ili približno kada su Zemlja i Mars bliže jedan drugom. ExoMars je letio 2016., InSight 2018., a rover Mars 2020 će poletjeti u, dobro, 2020. godini.
Misije slijede međuplanetarnu putanju transfera namijenjenu najbržem ili tamo s najmanjom količinom goriva.
Kad svemirska letjelica ulazi u atmosferu Marsa, to ide desecima tisuća kilometara na sat. Mora nekako izgubiti svu tu brzinu prije nego što lagano sleti na površinu Crvene planete.
Ovdje na Zemlji možete koristiti gustu zemaljsku atmosferu da usporite spuštanje, krvareći s brzine toplinskim štitom. Pločice svemirskog šatla dizajnirane su tako da apsorbiraju toplinu ponovnog ulaska, jer je orbita od 77 tona prešla iz 28.000 km / h u nulu.
Slična se tehnika mogla koristiti na Veneri ili na Titanu, gdje imaju gustu atmosferu.
Mjesec, bez ikakve atmosfere, relativno je ravnomjerno za slijetanje. Bez ikakve atmosfere nema potrebe za toplinskim štitom, već samo upotrebljavate pogon da usporite svoju orbitu i sletite na površinu. Sve dok donosite dovoljno pogonskog sredstva, možete zalijepiti slijetanje.
Povratak na Mars, svemirski brod koji je uletio u njegovu tanku atmosferu brzinom većom od 20 000 kilometara na sat.
Znatiželja je granica
Tradicionalno, misije su započele spuštanje zrakoplovom kako bi uklonile dio brzine svemirske letjelice. Najteža misija ikad poslana na Mars bio je Curiosity, koji je težio 1 metričku tonu, odnosno 2.200 funti.
Kad je ušao u marsovsku atmosferu, kretao se 5,9 kilometara u sekundi, odnosno 22.000 kilometara na sat.
Radoznalost je imala najveći zrakoplov ikad poslan na Mars, dimenzija 4,5 metra. Ova ogromna zračna letvica bila je nagnuta pod kutom, omogućujući svemirskom brodu da manevrira dok udara u tanku atmosferu Marsa, ciljajući u specifičnu zonu slijetanja.
Na oko 131 km nadmorske visine, svemirski brod počeo bi ispaljivati potisnike kako bi savršeno prilagodio putanju dok se približavao površini Marsa.
Otprilike 80 sekundi leta kroz atmosferu, temperature na toplinskom štitu popele su se na 2.100 Celzijevih stupnjeva. Da se ne bi rastopio, toplinski štit upotrijebio je poseban materijal nazvan Fenolni impregnirani karbonski ablator ili PICA. Uzgred, isti materijal koristi i SpaceX za svoje Zmajeve kapsule.
Nakon što je usporio svoju brzinu nižu od Macha 2.2, svemirska letjelica razmjestila je najveći padobran ikad izgrađen za misiju na Mars - 16 metara dužine. Ovaj padobran mogao bi stvoriti 29.000 kilograma vučne sile, usporavajući ga još više.
Liniji ovjesa izrađeni su od Technora i Kevlar, koji su prilično najjači i najotporniji materijali otporni na toplinu.
Potom je ugasio svoj padobran i upotrijebio raketne motore kako bi još više usporio svoj silazak. Kad je bilo dovoljno blizu, Curiosity je unio skiciran koji je lagano spustio rover na površinu.
Ovo je brza verzija. Ako želite opsežan pregled onoga što je znatiželja prošla slijetanjem na Mars, toplo vam preporučam da pogledate "Dizajn i inženjering radoznalosti" Emily Lakdawalla.
Znatiželja je težila samo jednu tonu.
Težak ne važi
Želite li učiniti istu stvar s većim opterećenjima? Sigurna sam da zamišljate veće zračne školjke, veće padobrane, veće skicrane.
Teoretski, SpaceX Starship će poslati 100 tona kolonista i njihovih stvari na površinu Marsa.
Evo problema. Metode usporenja u marsovskoj atmosferi ne postižu se baš dobro.
Prvo, krenimo s padobranima. Da budem iskren, znatiželja u 1 toni jednako je teška koliko možete dobiti padobranom. Bilo koji teži i jednostavno ne postoji materijal koji inženjeri mogu koristiti da podnese opterećenje usporavanja.
Prije nekoliko mjeseci, NASA-ini inženjeri proslavili su uspješan test Naprednog eksperimentalnog eksperimenta za nadzvučnu padobransku padalinu ili ASPIRE. Ovo je padobran koji će se upotrijebiti za misiju rovera Mars 2020.
Stavili su padobran od naprednih kompozitnih tkanina, poput najlona, Technora i Kevlar, na zvučnu raketu i bacili ga na visinu od 37 kilometara, oponašajući uvjete koje će svemirski brod doživjeti dok stigne na Mars.
Padobran je razmešten u djeliću sekunde i potpuno napuhan, imao je 32.000 kilograma snage. Da ste se ukrcali u to vrijeme, iskusili biste 3,6 puta veću silu od udara u zid koji ide 100 km / h noseći sigurnosni pojas. Drugim riječima, ne biste preživjeli.
Da je svemirska letjelica bila teža, trebala bi biti izrađena od nemogućih složenih tkanina. I zaboravite na putnike.
NASA pokušava isprobati različite ideje o spuštanju težih nosivosti na Marsu, kao, čak 3 tone.
Jedna se ideja naziva nadzvučnim usporavačem niske gustoće ili LDSD. Ideja je koristiti mnogo veći aerodinamični usporavač koji bi se napuhao oko svemirske letjelice poput prepunog dvorca dok ulazi u marsovsku gravitaciju.
U 2015. godini NASA je zapravo testirala ovu tehnologiju, noseći prototipno vozilo na balonu do nadmorske visine od 36 kilometara. Vozilo je zatim ispalilo svoju čvrstu raketu, noseći je na visini od 55 kilometara.
Kako je raketirao prema gore, naduvao je svoj nadzvučni napuhavajući aerodinamički usisnik do promjera 6 metara (ili 20 stopa), što ga je zatim usporilo natrag u Mach 2.4. Nažalost, njegov padobran nije se uspio ispravno rasporediti, pa se srušio u Tihi ocean.
To je napredak. Ako stvarno mogu izraditi inženjerstvo i fiziku, jednog dana bismo mogli vidjeti svemirske letjelice od 3 tone na površini Marsa. Tri cijele tone.
Više pogona, manje tereta
Sljedeća ideja kojom se povećava slet s Marsa je korištenje više pogona. Teoretski, možete samo ponijeti više goriva, ispaliti rakete kad stignete na Mars i otkazati svu tu brzinu. Problem je, naravno, što više mase koju morate nositi da biste usporili, to je manje mase koju zapravo možete sletjeti na površinu Marsa.
Očekuje se da će SpaceX Starship koristiti propulzivno slijetanje kako bi se spustio 100 tona na površinu Marsa. Budući da je krenuo izravnijim, bržim stazom, Zvijezda će udariti u Marsovsku atmosferu brže od 8,5 km / s, a zatim će koristiti aerodinamičke snage da uspori ulazak.
Ne mora, naravno, tako brzo ići. Zvjezdani brod mogao bi koristiti aerobraking, prolazeći kroz gornju atmosferu nekoliko puta da bi odzračio brzinu. U stvari, to je metoda kojom se koristi orbitalna svemirska letjelica koja ide na Mars.
Ali tada bi putnici na brodu trebali provesti tjedne da se svemirski brod uspori i krene u orbitu oko Marsa, a zatim da se spusti kroz atmosferu.
Prema Elonu Musku, njegova sjajno neintuitivna strategija za rukovanje svu tu toplinu jest izgraditi svemirski brod od nehrđajućeg čelika, a zatim će malene rupice u školjci ispuhati gorivo metana kako bi se vjetrovita strana svemirskog broda ohladila.
Jednom kad prođe dovoljno brzine, okrenut će se, zapaliti svoje Raptor motore i lagano sletjeti na površinu Marsa.
Cilj za zemlju, povucite prema gore u zadnjem trenutku
Svaki kilogram goriva koji svemirski brod koristi za usporavanje spuštanja na površinu Marsa kilogram je tereta koji ne može prenijeti na površinu.
Nisam siguran da postoji održiva strategija koja će lako spustiti teške terete na površinu Marsa. Pametniji ljudi od mene misle da je to gotovo nemoguće bez upotrebe ogromnih količina pogonskog goriva.
To je rečeno, Elon Musk misli da postoji način. I prije nego što popusimo njegovim idejama, pogledajmo dvostruke bočne zrakoplove iz raketa Falcon Heavy savršeno zajedno.
I ne obraćajte pažnju na ono što se dogodilo s središnjim potisnikom.
Novo istraživanje Odjela za zrakoplovstvo na Sveučilištu Illinois u Urbani-Champaign predlaže da misije na Mars mogu iskoristiti deblju atmosferu koja je bliža površini Marsa.
U svom radu pod naslovom „Opcije putanje ulaza za vozila s visokim balističkim koeficijentom na Marsu“, istraživači predlažu da svemirske letjelice koje lete na Mars ne moraju biti u takvoj žurbi da se oslobode svojih brzina.
Kako svemirski brod vrišti kroz atmosferu, i dalje će moći stvoriti puno aerodinamičkog dizanja koje bi se moglo koristiti za njegovo usmjeravanje kroz atmosferu.
Vodili su proračune i ustanovili da je idealan kut usmjeravanje svemirske letjelice ravno dolje i ronjenje prema površini. Zatim se u posljednjem mogućem trenutku povucite pomoću aerodinamičkog dizala kako biste letjeli bočno kroz najdeblji dio atmosfere.
To povećava povlačenje i omogućuje vam da se riješite najviše brzine prije nego što uključite motore za spuštanje i dovršite svoje slijetanje s napajanjem.
Zvuči zabavno.
Ako će čovječanstvo izgraditi održivu budućnost na površini Marsa, trebat ćemo riješiti ovaj problem. Trebat ćemo razviti niz tehnologija i tehnika koje će slijetanje na Mars učiniti pouzdanijim i sigurnijim.
Pretpostavljam da će biti puno izazovniji nego što ljudi očekuju, ali radujem se idejama koje će se testirati u narednim godinama.
Veliko hvala Nancy Atkinson koja ovdje smo obradili ovu temu na Space Magazine prije više od desetljeća, i nadahnuo me za rad na ovom videu.
