Šteta što je Mars tako zanimljivo mjesto, jer je zapravo jedno od najtežih mjesta za posjetiti u Sunčevom sustavu, pogotovo ako želite ponijeti puno prtljage. Taj planet je groblje misija koje nisu uspjele.
Kako naše ambicije rastu i razmišljamo o istraživanju Marsa s ljudima – možda čak i budućim kolonistima – morat ćemo riješiti jedan od najvećih problema u istraživanju svemira.
Uspješno spuštanje teških tereta na površinu Marsa doista je teško izvesti.
Postoji hrpa izazova s Marsom, uključujući nedostatak zaštitne magnetosfere i nižu površinsku gravitaciju. Ali jedan od najvećih je njegova tanka atmosfera ugljičnog dioksida.
Kad biste stajali na površini Marsa bez svemirskog odijela, smrzli biste se na smrt i ugušili biste se od nedostatka kisika. Ali također ćete doživjeti manje od 1% atmosferskog tlaka u kojem uživate ovdje na Zemlji.
I ispostavilo se da ova tanka atmosfera čini nevjerojatnim izazovom sigurno spuštanje značajnih tereta na površinu Crvenog planeta. Zapravo, samo 53% misija na Mars je zapravo ispravno odrađeno.
Razgovarajmo o tome kako su misije na Mars funkcionirale u prošlosti, a ja ću vam pokazati u čemu je problem.
Slijetanje na Mars je najgore
Povijesno gledano, misije na Mars pokreću se sa Zemlje tijekom perioda leta koji se otvara svake dvije godine ili otprilike kada su Zemlja i Mars bliže jedan drugom. ExoMars je letio 2016., InSight 2018., a rover Mars 2020 će letjeti 2020. godine.
Umjetnikov dojam o InSight Landeru koji započinje fazu ulaska, spuštanja i slijetanja (EDL) na Mars. Zasluge: NASA
Misije slijede međuplanetarnu putanju prijenosa osmišljenu da do tamo stignu najbrže ili s najmanjom količinom goriva.
Kako letjelica ulazi u atmosferu Marsa, kreće se desecima tisuća kilometara na sat. Mora nekako izgubiti svu tu brzinu prije nego što lagano sleti na površinu Crvenog planeta.
Ovdje na Zemlji možete koristiti gustu zemaljsku atmosferu da usporite spuštanje, iskrvarivši svoju brzinu toplinskim štitom. Pločice svemirskog šatla dizajnirane su da apsorbiraju toplinu ponovnog ulaska, jer je orbiter od 77 tona otišao s 28.000 km/h na nulu.
Slična tehnika bi se mogla koristiti na Veneri ili Titanu, gdje imaju gustu atmosferu.
Na Mjesec, bez ikakve atmosfere, također je relativno jednostavno sletjeti. Bez ikakve atmosfere, nema potrebe za toplinskim štitom, samo koristite pogon da usporite svoju orbitu i sletite na površinu. Sve dok donesete dovoljno goriva, možete zalijepiti doskok.
Povratak na Mars, sa svemirskom letjelicom koja juri u njegovu tanku atmosferu brzinom većom od 20.000 kilometara na sat.
Znatiželja je granica
Tradicionalno, misije su započele svoje spuštanje aeroškoljkom kako bi uklonile dio brzine svemirske letjelice. The najteža misija Na Mars je ikad poslan Curiosity, koji je težio 1 metričku tonu, ili 2200 funti.
Kad je ušao u atmosferu Marsa, krenuo je 5,9 kilometara sekundi, odnosno 22.000 kilometara na sat.
Znatiželja koja prelazi u atmosferu Marsa. Zasluge: NASA/JPL
Curiosity je imao najveću aeroškoljku ikad poslanu na Mars, prečnika 4,5 metara. Ova ogromna aeroškoljka bila je nagnuta pod kutom, omogućujući letjelici da manevrira dok udara u tanku atmosferu Marsa, ciljajući na određenu zonu slijetanja.
Na visini od oko 131 kilometar, letjelica bi počela ispaljivati potisnike kako bi savršeno prilagodila putanju kako se približava površini Marsa.
Oko 80 sekundi leta kroz atmosferu, temperature na toplinskom štitu porasle su na 2100 stupnjeva Celzija. Kako se ne bi otopio, toplinski štit koristio je poseban materijal nazvan Phenolic Impregnated Carbon Ablator, ili PICA. Usput rečeno, isti materijal koji SpaceX koristi za svoje Dragon Capsules.
Nakon što je usporila svoju brzinu na nižu od 2,2 Macha, letjelica je upotrijebila najveći padobran ikad napravljen za misiju na Mars – prečnika 16 metara. Ovaj padobran mogao bi stvoriti 29.000 kilograma sile otpora, usporavajući ga još više.
Linije ovjesa izrađene su od Technore i Kevlara, koji su prilično najjači i najotporniji materijali za koje znamo.
Zatim je odbacio padobran i upotrijebio raketne motore kako bi još više usporio spuštanje. Kad je bio dovoljno blizu, Curiosity je pokrenuo skycrane koji je rover lagano spustio na površinu.
Ovo je brza verzija. Ako želite opsežan pregled kroz što je Curiosity prošao slijetanjem na Mars, toplo vam preporučujem da pogledate Emily Lakdawalla “ Dizajn i inženjering radoznalosti ”.
Ilustracija nebodera Curiosityja, nježno ga postavlja na Mars. Zasluge: NASA/JPL
Curiosity je težio samo jednu tonu.
Otežavanje se ne povećava
Želite li učiniti istu stvar s težim nosivostima? Siguran sam da zamišljate veće aero školjke, veće padobrane, veće nebokrane.
U teoriji, SpaceX Starship će poslati 100 tona kolonista i njihovih stvari na površinu Marsa.
Umjetnička ilustracija SpaceX Starshipa. Zasluga: SpaceX
Evo problema. Metode usporavanja u atmosferi Marsa ne napreduju baš dobro.
Prvo, počnimo s padobranima. Da budem iskren, s 1-tonom, Curiosity je otprilike onoliko težak koliko možete dobiti pomoću padobrana. Sve teže i jednostavno ne postoje materijali koje inženjeri mogu koristiti koji mogu podnijeti opterećenje usporavanja.
Prije nekoliko mjeseci, NASA-ini inženjeri proslavili su uspješno testiranje Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment, ili ASPIRE. Ovo je padobran koji će se koristiti za misiju rovera Mars 2020.
ASPIRE korisni teret se odvaja od svog pojačivača. Zasluge: NASA/JPL/Caltech
Postavili su padobran od naprednih kompozitnih tkanina, poput najlona, Technore i Kevlara, na sondažnu raketu i lansirali je na visinu od 37 kilometara, oponašajući uvjete koje će letjelica doživjeti kad stigne na Mars.
Padobran koji se aktivirao u djeliću sekunde, i potpuno napuhan, doživio je 32.000 kilograma sile. Da ste u to vrijeme bili u vozilu, doživjeli biste 3,6 puta veću silu od udaranja u zid pri brzini od 100 km/h s pojasom. Drugim riječima, ne biste preživjeli.
Da je letjelica bila nešto teža, morala bi biti izrađena od nemogućih kompozitnih tkanina. I zaboravite na putnike.
NASA je isprobavala različite ideje za spuštanje težih tereta na Mars, čak 3 tone.
Umjetnička ilustracija nadzvučnog usporivača niske gustoće. Zasluge: NASA
Jedna ideja se zove supersonični usporivač niske gustoće ili LDSD. Ideja je koristiti puno veći aerodinamički usporivač koji bi se napuhao oko letjelice poput skakućeg dvorca dok ulazi u gravitaciju Marsa.
2015. NASA je zapravo testirala ovu tehnologiju, noseći prototip vozila na balonu do visine od 36 kilometara. Vozilo je tada ispalilo svoju čvrstu raketu, odnijevši je na visinu od 55 kilometara.
Kao što je bilo raketiranje prema gore , napuhao je svoj Supersonični aerodinamički usporivač na napuhavanje do promjera od 6 metara (ili 20 stopa), što ga je zatim usporilo na 2,4 Macha. Nažalost, njegov padobran se nije uspio pravilno aktivirati, pa se srušio u Tihi ocean.
To je napredak. Ako doista uspiju razraditi inženjering i fiziku, mogli bismo jednog dana vidjeti letjelicu od 3 tone kako slijeće na površinu Marsa. Cijele tri tone.
Više pogona, manje tereta
Sljedeća ideja za povećanje slijetanja na Mars je korištenje više pogona. U teoriji, možete samo nositi više goriva, ispaliti svoje rakete kada stignete na Mars i poništiti svu tu brzinu. Problem je, naravno, u tome što što više mase morate ponijeti da usporite, to je manja masa koju zapravo možete sletjeti na površinu Marsa.
Ilustracija slijetanja SpaceX Starshipa na Mars. Zasluga: SpaceX
Očekuje se da će SpaceX Starship koristiti propulzivno slijetanje kako bi spustio 100 tona na površinu Marsa. Budući da ide izravnijim, bržim putem, Starship će udariti u atmosferu Marsa brže od 8,5 km/s, a zatim će koristiti aerodinamičke sile da uspori svoj ulazak.
Ne mora ići ovako brzo, naravno. Zvjezdani brod bi mogao koristiti aerokočenje, prolazeći kroz gornju atmosferu nekoliko puta kako bi iskrvario brzinu. Zapravo, ovo je metoda koristi tu orbitalnu letjelicu koja ide na Mars.
Ali tada bi putnici na brodu morali provesti tjedne da letjelica uspori i ode u orbitu oko Marsa, a zatim se spusti kroz atmosferu.
Prema Elonu Musku, njegova zadivljujuće neintuitivna strategija za rukovanje svom tom toplinom je da napravi letjelicu od nehrđajućeg čelika, a zatim će sitne rupe u ljusci ispuštati metansko gorivo kako bi zavjetrena strana letjelice bila hladna.
Testiranje Starship heatshield hex pločica pic.twitter.com/PycE9VthxQ
— Elon Musk (@elonmusk) 17. ožujka 2019
Nakon što izgubi dovoljnu brzinu, okrenut će se, pokrenuti svoje Raptor motore i nježno sletjeti na površinu Marsa.
Ciljajte prema zemlji, povucite se u posljednji trenutak
Svaki kilogram goriva koji letjelica koristi za usporavanje spuštanja na površinu Marsa je kilogram tereta koji ne može ponijeti na površinu.
Nisam siguran da postoji ikakva održiva strategija koja će lako spustiti teške terete na površinu Marsa. Pametniji ljudi od mene misle da je to prilično nemoguće bez upotrebe ogromnih količina pogonskog goriva.
Ipak, Elon Musk misli da postoji način. I prije nego što odbacimo njegove ideje, pogledajmo dvostruka bočna pojačala iz rakete Falcon Heavy kako savršeno zajedno slijeću.
I ne obraćajte pažnju na ono što se dogodilo sa središnjim pojačivačem.
Nova studija odsjeka za aerospace na Sveučilištu Illinois u Urbana-Champaignu predlaže da bi misije na Mars mogle iskoristiti deblju atmosferu koja je bliža površini Marsa.
U svom radu pod naslovom 'Opcije putanje ulaska za vozila s visokim balističkim koeficijentom na Marsu', predlažu istraživači da letjelice koje lete na Mars ne moraju biti u tolikoj žurbi da bi se riješile svoje brzine.
Kako letjelica vrišti kroz atmosferu, i dalje će moći generirati puno aerodinamičkog podizanja, što bi se moglo iskoristiti za usmjeravanje kroz atmosferu.
Proveli su izračune i otkrili da je idealan kut samo usmjeriti letjelicu ravno dolje i zaroniti prema površini. Zatim, u posljednjem mogućem trenutku, povucite se pomoću aerodinamičkog lifta kako biste bočno proletjeli kroz najdeblji dio atmosfere.
To povećava otpor i omogućuje vam da se riješite najveće količine brzine prije nego što uključite svoje motore za spuštanje i dovršite svoje slijetanje s pogonom.
To zvuči zabavno.
Ako čovječanstvo želi izgraditi održivu budućnost na površini Marsa, morat ćemo riješiti ovaj problem. Trebat ćemo razviti niz tehnologija i tehnika koje će slijetanje na Mars učiniti pouzdanijim i sigurnijim.
Pretpostavljam da će to biti puno puno izazovnije nego što ljudi očekuju, ali veselim se idejama koje će biti testirane u nadolazećim godinama.
Veliko hvala Nancy Atkinson koja obradio ovu temu ovdje na Universe Today prije više od deset godina i inspirirao me za rad na ovom videu.