Kár, hogy a Mars olyan érdekes hely, mert valójában ez a legnehezebb látogatható hely a Naprendszerben, különösen, ha sok poggyászot akar magával vinni. Ez a bolygó olyan missziók temetője, amelyek nem igazán sikerült.
Amint ambícióink növekednek, és gondolkodunk a Mars felfedezéséről az emberekkel - talán még a jövőbeli gyarmatosítókkal is -, meg kell oldanunk az űrkutatás egyik legnagyobb problémáját.
A nehéz hasznos teher sikeres leszállítása a Mars felszínére nagyon nehéz.
Nagyon sok kihívás van a Marstal szemben, beleértve a védő magnetoszféra hiányát és az alsó felszíni gravitációt. De az egyik a szén-dioxid vékony atmoszférája.
Ha egy űrruha nélkül álltál a Mars felszínén, megfagyhatott volna halálba és megfojthatná az oxigénhiányt. De azt is megtapasztalhatja, hogy a légköri nyomás kevesebb, mint 1% -a van itt, a Földön.
És kiderül, hogy ez a vékony légkör hihetetlenül nagy kihívást jelent a jelentős hasznos teher biztonságos lejuttatása a Vörös Bolygó felszínére. Valójában a Marsba tett látogatások csak 53% -a működött megfelelően.
Tehát beszéljünk arról, hogy a múltban miként működtek a Mars-küldetések, és megmutatom, mi a probléma.
A Marsra szállás a legrosszabb
Történelmileg a Marsba irányuló missziókat a Földről indítják a repülési ablakok alatt, amelyek kb. Kétévente nyílnak meg, amikor a Föld és a Mars közelebb állnak egymáshoz. Az ExoMars 2016-ban repült, az InSight 2018-ban, a Mars 2020 rover pedig 2020-ra repül be.
A küldetések a bolygóközi átviteli pályát követik, amelynek célja vagy a leggyorsabb odajutás, vagy a legkevesebb üzemanyag felhasználásával.
Amint az űrhajó belép a Mars légkörébe, tízezrek kilométer / óra sebességgel halad. Valahogy el kell veszítenie ezt a sebességet, mielőtt óvatosan leszáll a Vörös Bolygó felszínére.
Itt, a Földön a sűrű földi légkör felhasználhatja az ereszkedést, és lelassíthatja sebességét hőpajzs segítségével. Az űrrepülőgép csempéit úgy tervezték, hogy elnyeli az újbóli belépés hőjét, mivel a 77 tonnás keringő pályája 28 000 km / h sebességről nullára ment.
Hasonló technika alkalmazható Vénuszon vagy Titánon is, ahol vastag légkör van.
A Hold, bármiféle légkör nélkül, viszonylag egyszerű a földre szállásra is. Egyáltalán nincs légkör, nincs szükség hővédő pajzsra, csak hajtást használ, hogy lassítsa a pályáját és landoljon a felszínen. Mindaddig, amíg elegendő hajtóanyagot hoz, addig ragaszkodhat a leszálláshoz.
Visszatérve a Marsra, egy űrhajóval, amely vékony légkörébe süllyedt több mint 20 000 km / órás sebességgel.
A kíváncsiság a határ
Hagyományosan, a missziók egy repülőgéppel kezdték leereszkedését, hogy eltávolítsák az űrhajó bizonyos sebességét. A Marsba elküldött legsúlyosabb küldetés a Curiosity volt, amelynek súlya 1 tonnánál vagy 2200 fontnál volt.
Amikor belépett a marsi légkörbe, másodpercenként 5,9 kilométert, vagyis óránként 22 000 kilométert tett meg.
A Curiosity volt a legnagyobb aeroshell, amelyet valaha Marsba küldtek, 4,5 méter átmérőjű. Ezt a hatalmas aeroshellát szögben döntötték, és az űrhajó manőverezhetett, amikor elérte a Mars vékony légkörét, és egy adott leszállási zónára irányult.
Körülbelül 131 kilométeres tengerszint feletti magasságban az űrhajó elkezdett löket lövöldözni, hogy tökéletesen beállítsa a pályát, amikor megközelíti a Mars felszínét.
Körülbelül 80 másodpercnyi repülés a légkörben, a hővédő pajzs hőmérséklete 2100 Celsius fokra emelkedett. Annak érdekében, hogy ne olvadjon el, a hővédő pajzs speciális anyagot használt, amelyet fenolos impregnált szén ablátornak (PICA) hívtak. Egyébként ugyanazt az anyagot használja a SpaceX a Dragon Capsules-hez.
Miután lelassította a sebességet, hogy alacsonyabb legyen, mint a Mach 2.2, az űrhajó a 16-méter átmérőjű legnagyobb sebességű ejtőernyőt állította fel, amelyet valaha készített a Mars útjára. Ez az ejtőernyő 29 000 kilogramm húzóerőt képes generálni, még tovább lassítva.
A felfüggesztő sorok Technora és Kevlar készültek, amelyek nagyjából a legerősebb és leginkább hőálló anyagok, amelyekről ismertünk.
Ezután az ejtőernyőt lerobbantotta és rakétamotorokat használt, hogy még tovább lassítsák leereszkedését. Amikor elég közel volt, a Curiosity felhőkarcolót telepített, amely óvatosan leengedte a rovert a felszínre.
Ez a gyors verzió. Ha átfogó áttekintést szeretne kapni arról, hogy a Curiosity miként ment keresztül a Marsra, javasoljuk, hogy nézd meg Emily Lakdawalla „A kíváncsiság tervezése és tervezése” című részét.
A kíváncsiság csak egy tonnát súlyozott.
A Megy nehezebbé nem léptékű
Ugyanezt akarja tenni a nehezebb rakományokkal is? Biztos vagyok benne, hogy elképzel nagyobb repülőgörbéket, nagyobb ejtőernyőket, nagyobb skycranes-eket.
Elméletileg a SpaceX Csillaghajó 100 tonnát gyarmatosítókat és azok dolgait küld a Mars felszínére.
Itt a probléma. A lassulás módszerei a marsi légkörben nem méretezhetők fel nagyon jól.
Először kezdjük az ejtőernyőkkel. Hogy őszinte legyek, egy tonnánál a Curiosity körülbelül annyira nehéz, mint amennyit ejtőernyővel lehet megszerezni. Bármelyik nehezebb, és csak a mérnökök nem használhatnak olyan anyagokat, amelyek képesek lennének kezelni a lassítási terhelést.
Pár hónappal ezelőtt a NASA mérnökei ünnepelték az Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment, vagy az ASPIRE sikeres tesztelését. Ezt az ejtőernyőt fogják használni a Mars 2020 rover missziójához.
A fejlett kompozit szövetekből, például a nejlonból, a Technoraból és a Kevlarból készült ejtőernyőt egy hangzó rakétra helyeztek, és 37 kilométer magasságba bocsátották, utánozva azokat a feltételeket, amelyeket az űrhajó tapasztal, amikor megérkezik a Marsra.
A másodperc töredékéig telepített ejtőernyő teljes mértékben felfújt, és 32 000 kilogramm erőt gyakorolt. Ha akkoriban a fedélzeten lennél, 3,6-szor annyi erőt tapasztalna, mint amikor egy 100 km / h sebességű falba ütközne, amikor a biztonsági övet viszi. Más szavakkal, nem élnél túl.
Ha az űrhajó bármilyen nehezebb lenne, lehetetlen kompozit szövetekből kell készülnie. És felejtsd el az utasokat.
A NASA különböző ötleteket kipróbált, hogy nehezebb, akár 3 tonnás hasznos rakományokat szállítson a Marsra.
Az egyik ötlet az alacsony sűrűségű szuperszonikus gyorsító (LDSD). Az ötlet az, hogy egy sokkal nagyobb aerodinamikai lassítót használjunk, amely felfújna az űrhajó körül, mint egy pattogó kastély, amikor belép a marsi gravitációba.
2015-ben a NASA valóban kipróbálta ezt a technológiát, prototípusos járművet szállítva egy léggömbön 36 kilométer magasságig. A jármű ezután lőtt szilárd rakétáját, és 55 kilométer magasságba vitte.
Ahogy felfelé robbant, felfelfújta a szuperszonikus felfújható aerodinamikai gördítõjét 6 méter (vagy 20 láb) átmérõre, ami aztán visszatette 2,4 Mach-ra. Sajnos ejtőernyőjét nem sikerült megfelelően telepíteni, ezért a Csendes-óceánba zuhant.
Ez az előrehaladás. Ha ténylegesen ki tudják dolgozni a mérnököt és a fizikát, egy nap 3 tonnás űrhajót láthatnánk a Mars felszínén landolva. Három teljes tonna.
Több hajtóerő, kevesebb rakomány
A következő ötlet a Mars leszállás növelésére az, hogy több meghajtást használjunk. Elméletileg csak több üzemanyagot szállíthat, tüzelheti a rakétákat, amikor megérkezik a Marsra, és törölheti a sebességet. A probléma természetesen az, hogy minél több tömeget kell hordoznia, hogy lassítson, annál kevesebb a tömeg, amelyet valójában a Mars felszínére tudsz szállni.
A SpaceX Csillaghajó várhatóan meghajtó leszállást fog végezni, hogy 100 tonnát juttasson a Mars felszínére. Mivel egy közvetlen és gyorsabb utat választ, a Csillaghajó 8,5 km / s-nál gyorsabban fogja elérni a marsi légkört, majd aerodinamikai erőkkel lassítja a belépést.
Természetesen nem kell ilyen gyorsan mennie. A Csillaghajó aerobraktúrát használhatott, többször áthaladva a felső légkörben, hogy leürítse a sebességet. Valójában ezt a módszert használják a Marsra haladó keringő űrhajók.
De akkor a fedélzeten lévő utasoknak heteket kellene tölteniük, hogy az űrhajó lelassuljon és a Mars körüli pályára lépjen, majd a légkörön keresztül szálljon le.
Elon Musk elmondása szerint az összes hőt kezelő, élvezetesen intuitív stratégiája az űrhajó rozsdamentes acélból történő felépítése, és azután a héjában lévő apró lyukak kiürítik a metán üzemanyagot, hogy az űrhajó szélső oldala hűvös maradjon.
Amint elegendő sebességet tapasztal, megfordul, tüzet ad a Raptor motorjaihoz és óvatosan leszáll a Mars felszínére.
Cél a földre, húzza fel az utolsó pillanatban
Minden kilogramm üzemanyag, amelyet az űrhajó lelassul a Mars felszínére történő lelassulásához, egy kilogramm rakomány, amelyet nem képes a felszínre szállítani.
Nem vagyok biztos abban, hogy van-e olyan életképes stratégia, amely könnyű lesz a nehéz hasznos teher lerakására a Mars felszínén. Okosabb emberek gondolom, hogy hatalmas mennyiségű hajtógáz használata nélkül ez szinte lehetetlen.
Elon Musk azt gondolja, hogy van módja annak. És mielőtt lecsökkentjük ötleteit, nézzük tökéletesen együtt a Falcon Heavy rakéta földterületének ikerrugóit.
És ne figyeljen arra, ami történt a központi emlékeztetővel.
Az Illinoisi Egyetem (Urbana-Champaign) Repülési és Tanszékének új tanulmánya azt javasolja, hogy a Marsra irányuló missziók kihasználhassák a Mars felületéhez közelebb lévő vastagabb légkört.
A „Magas ballisztikus koefficiens járművek belépési pályájának lehetőségei a Marson” című tanulmányukban a kutatók azt sugallják, hogy a Marsra repülő űrhajóknak nem kell ilyen sietniük, hogy megszabaduljanak sebességüktől.
Mivel az űrhajó a légkörben sikoltoz, mégis képes sok olyan aerodinamikai emelőt előidézni, amely felhasználható annak irányítására a légkörben.
Elvégezték a számításokat és megállapították, hogy az ideális szög az volt, hogy az űrhajót csak egyenesen lefelé mutatják és a felület felé merülnek. Ezután az utolsó lehetséges pillanatban húzza fel az aerodinamikai emelő segítségével oldalirányú repülésre a légkör legvastagabb részén.
Ez növeli a meghúzódást és lehetővé teszi, hogy megszabaduljon a legnagyobb sebességtől, mielőtt bekapcsolnák a leszálló motorokat, és befejezzék a meghajtású leszállást.
Ez hangzik, um, szórakoztató.
Ha az emberiség életképes jövőt épít a Mars felszínén, akkor ezt a problémát meg kell küzdenünk. Fejlesztenünk kell egy sor olyan technológiát és technikát, amelyek megbízhatóbbá és biztonságosabbá teszik a Marsra történő leszállást.
Gyanítom, hogy ez sokkal nagyobb kihívást jelent, mint amire az emberek számítanak, de nagyon várom az elkövetkező években tesztelni kívánt ötleteket.
Nagy köszönet Nancy Atkinsonnak, aki itt tárgyalta ezt a témát több mint egy évtizeddel ezelőtt a Space Magazine-on, és inspirálta, hogy dolgozzak ezen a videón.
