Je príliš zlé, že Mars je také zaujímavé miesto, pretože v skutočnosti je to jedno z najťažších miest na návštevu v slnečnej sústave, najmä ak si chcete vziať so sebou veľa batožiny. Táto planéta je cintorínom misií, ktoré to celkom neurobili.
S rastom našich ambícií a uvažujeme o objavovaní Marsu s ľuďmi - možno aj s budúcimi kolonistami - budeme musieť vyriešiť jeden z najväčších problémov pri výskume vesmíru.
Úspešne pristátie ťažkého užitočného zaťaženia na povrch Marsu je naozaj ťažké.
S Marsom je veľa problémov, vrátane nedostatku ochrannej magnetosféry a nižšej povrchovej gravitácie. Jednou z najväčších je jej tenká atmosféra oxidu uhličitého.
Keby ste stáli na povrchu Marsu bez skafandra, zmrazili by ste na smrť a dusili sa z nedostatku kyslíka. Ale tiež by ste zažili menej ako 1% atmosférického tlaku, ktorý sa vám tu na Zemi páči.
Ukázalo sa, že táto riedka atmosféra je neuveriteľne náročné dosiahnuť bezpečné užitočné zaťaženie na povrch červenej planéty. V skutočnosti iba 53% misií na Mars skutočne fungovalo správne.
Poďme sa teda porozprávať o tom, ako misie na Mars pracovali v minulosti, a ukážem vám, v čom je problém.
Pristátie na Marse je najhoršie
Z historického hľadiska sa misie na Mars spúšťajú zo Zeme počas letových okien, ktoré sa otvárajú každé dva roky, keď sú Zem a Mars bližšie k sebe. ExoMars letel v roku 2016, InSight v roku 2018 a Mars 2020 rover bude lietať v roku 2020.
Misie sledujú medziplanetárnu dráhu prenosu, ktorá je navrhnutá tak, aby sa k nej dostala najrýchlejšie alebo s najmenším množstvom paliva.
Keď kozmická loď vstúpi do atmosféry Marsu, prechádza to niekoľko desiatok tisíc kilometrov za hodinu. Musí nejakým spôsobom stratiť všetku túto rýchlosť, než pristane na hladine Červenej planéty.
Tu na Zemi môžete použiť silnú zemskú atmosféru na spomalenie vášho zostupu, ktorý krváca z vašej rýchlosti tepelným štítom. Dlaždice raketoplánu boli navrhnuté tak, aby absorbovali teplo opätovného vjazdu, keď sa 77-tonový orbiter zvýšil z 28 000 km / h na nulu.
Podobnú techniku je možné použiť na Venuši alebo Titane, kde majú silnú atmosféru.
Mesiac bez atmosféry je celkom jednoduchý na pristátie. Bez atmosféry vôbec nie je potrebný tepelný štít, stačí použiť pohon na spomalenie vašej obežnej dráhy a pristátie na povrchu. Pokiaľ prinesiete dostatok paliva, môžete pristávať.
Späť na Mars, s kozmickou loďou vrhajúcou sa do svojej tenkej atmosféry rýchlosťou viac ako 20 000 kilometrov za hodinu.
Zvedavosť je limit
Misie už tradične začali s klesaním aeroshelom, aby odstránili časť rýchlosti kozmickej lode. Najťažšou misiou na Marse bola zvedavosť, ktorá vážila 1 metrickú tonu, teda 2 200 libier.
Keď vstúpila do atmosféry Marsu, išlo to 5,9 km za sekundu alebo 22 000 km za hodinu.
Zaujímavosťou bolo, že najväčší aeroshell, aký kedy bol na Mars, meral 4,5 metra. Tento obrovský aeroshell bol naklonený v uhle, čo umožnilo kozmickej lodi manévrovať, keď zasiahla tenkú atmosféru Marsu a smerovala do konkrétnej pristávacej zóny.
Vo výške asi 131 kilometrov začala kozmická loď strieľať, aby dokonale upravila trajektóriu, keď sa priblížila k povrchu Marsu.
Približne 80 sekúnd letu atmosférou sa teploty na tepelnom štíte zvýšili na 2 100 stupňov Celzia. Aby nedošlo k roztaveniu, tepelný štít používal špeciálny materiál s názvom Fenolický impregnovaný uhlíkový ablátor alebo PICA. Rovnaký materiál, ktorý SpaceX používa pre svoje dračie kapsuly, mimochodom.
Akonáhle spomalila svoju rýchlosť na menej ako Mach 2,2, kozmická loď nasadila najväčší padák, aký kedy bol postavený pre misiu na Mars - 16 metrov naprieč. Tento padák by mohol vytvoriť 29 000 kilogramov ťahovej sily a ešte viac ju spomaliť.
Závesné čiary boli vyrobené z Technora a Kevlar, ktoré sú do značnej miery najsilnejšie a najviac žiaruvzdorné materiály, ktoré poznáme.
Potom odhodil svoj padák a pomocou raketových motorov ešte viac spomalil svoj zostup. Keď bolo dosť blízko, kuriozita nasadila skycrane, ktorý jemne spustil rover dole na povrch.
Toto je rýchla verzia. Ak chcete získať rozsiahly prehľad o tom, čo zvedavosť prešla pristátím na Marse, dôrazne vám odporúčame pozrieť si knihu „Návrh a inžinierstvo zvedavosti“ od Emily Lakdawally.
Zvedavosť vážila iba jednu tonu.
Ťažšie sa nedá škálovať
Chcete urobiť to isté s ťažším užitočným zaťažením? Som si istý, že si predstavujete väčšie aerosady, väčšie padáky, väčšie skycranes.
Vesmírna loď SpaceX teoreticky pošle 100 ton kolonistov a ich vecí na povrch Marsu.
Tu je problém. Metódy spomalenia v marťanskej atmosfére sa veľmi dobre nezvyšujú.
Najprv začnime s padákmi. Aby som bol úprimný, v 1tunke je zvedavosť asi tak ťažká, ako sa dá pomocou padáka. Ťažšie a jednoducho neexistujú materiály, ktoré by mohli použiť inžinieri materiálov, ktorí zvládnu zaťaženie spomalením.
Pred pár mesiacmi inžinieri NASA oslávili úspešný test experimentu Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment alebo ASPIRE. Toto je padák, ktorý sa použije na misiu s vozovkou Mars 2020.
Položili padák vyrobený z pokrokových kompozitných tkanín, ako je nylon, Technora a Kevlar, na znejúcu raketu a spustili ju do výšky 37 kilometrov, čím napodobňovali podmienky, ktoré vesmírna loď zažije, keď dorazí na Mars.
Padák nasadený za zlomok sekundy a úplne nahustený, mal 32 000 kilogramov sily. Keby ste boli v tom čase na palube, zažili by ste 3,6-krát toľko sily ako narazenie do steny so 100 km / h so zapnutým bezpečnostným pásom. Inými slovami, neprežili by ste.
Keby bola kozmická loď ťažšia, musela by byť vyrobená z nemožných kompozitných tkanín. A zabudnite na cestujúcich.
NASA skúšala rôzne nápady na vyťaženie väčšieho užitočného zaťaženia na Marse, napríklad až 3 tony.
Jeden nápad sa nazýva supersonický spomaľovač s nízkou hustotou alebo LDSD. Zámerom je použiť oveľa väčší aerodynamický spomaľovač, ktorý by sa nafúkol okolo kozmickej lode ako skákací hrad, keď vstupuje do marťanskej gravitácie.
V roku 2015 NASA túto technológiu skutočne otestovala a prototyp prototypu prepravila na balóne do výšky 36 kilometrov. Vozidlo potom vypálilo svoju masívnu raketu a vyviezlo ju do nadmorskej výšky 55 kilometrov.
Keď sa pohyboval smerom nahor, nafúkol svoj nadzvukový nafukovací aerodynamický spomaľovač na priemer 6 metrov (alebo 20 stôp), ktorý ho potom spomalil späť na Mach 2.4. Bohužiaľ sa jeho padák nedokázal správne nasadiť, takže narazil do Tichého oceánu.
To je pokrok. Ak dokážu skutočne vypracovať inžinierstvo a fyziku, mohli by sme jedného dňa vidieť pristátie 3 tonovej kozmickej lode na povrchu Marsu. Tri celé tony.
Viac pohonu, menej nákladu
Ďalšou myšlienkou zväčšiť pristátie na Marse je použitie väčšieho pohonu. Teoreticky stačí vziať viac paliva, odpáliť rakety, keď prídete na Mars, a zrušiť všetku túto rýchlosť. Problém je, samozrejme, s tým, že čím viac hmotnosti musíte mať na spomalenie, tým menšiu hmotnosť môžete skutočne pristáť na povrchu Marsu.
Očakáva sa, že vesmírna loď Vesmírna loď použije pohonné pristátie, aby dostala 100 ton na povrch Marsu. Keďže ide o priamejšiu a rýchlejšiu cestu, hviezdna loď zasiahne marťanskú atmosféru rýchlejšie ako 8,5 km / sa potom použije aerodynamické sily na spomalenie jej vstupu.
Samozrejme to nemusí ísť tak rýchlo. Hviezdna loď mohla použiť aerobraking a niekoľkokrát prešla cez hornú atmosféru, aby vypustila rýchlosť. V skutočnosti je to metóda, ktorú používajú orbitálne kozmické lode na Mars.
Potom by cestujúci na palube museli stráviť týždne, kým sa kozmická loď spomalí a prejde na obežnú dráhu okolo Marsu a potom zostúpi atmosférou.
Podľa Elona Muska je jeho úžasne neintuitívnou stratégiou na zvládnutie všetkého toho tepla, že je postaviť kozmickú loď z nehrdzavejúcej ocele, a potom malé diery v škrupine vytečie metánové palivo, aby sa predná strana kozmickej lode ochladila.
Akonáhle sa zbaví dostatočnej rýchlosti, obráti sa, vystrelí motory Raptor a jemne pristane na povrchu Marsu.
Zamerajte sa na zem, vytiahnite sa na poslednú chvíľu
Každý kilogram paliva, ktorý používa kozmická loď na spomalenie svojho klesania na povrch Marsu, je kilogram nákladu, ktorý nemôže na povrch uniesť.
Nie som si istý, či existuje životaschopná stratégia, ktorá ľahko vyloží ťažké užitočné zaťaženie na povrch Marsu. Chytrejší ľudia ako ja si myslia, že je to takmer nemožné bez použitia obrovského množstva paliva.
To znamená, že Elon Musk si myslí, že existuje spôsob. A predtým, ako znížime jeho nápady, pozrime sa spolu na dvojité zosilňovače z rakety Falcon Heavy.
A nevenujte pozornosť tomu, čo sa stalo s centrálnym posilňovačom.
Nová štúdia oddelenia letectva na University of Illinois v Urbana-Champaign navrhuje, aby misie na Mars mohli využívať silnejšiu atmosféru, ktorá je bližšie k povrchu Marsu.
Vedci vo svojom článku s názvom „Možnosti vstupnej trajektórie pre vysoko balistické koeficienty na Marse“ navrhujú, že kozmická loď lietajúca na Mars nemusí byť v takom zhone, aby sa zbavila svojej rýchlosti.
Keďže kozmická loď kričí atmosférou, bude stále schopná generovať veľa aerodynamického zdvihu, ktorý by sa mohol použiť na jej vedenie atmosférou.
Spustili výpočty a zistili, že ideálnym uhlom bolo nasmerovať kozmickú loď priamo nadol a ponoriť sa k povrchu. Potom v poslednom možnom okamihu vytiahnite pomocou aerodynamického zdvihu tak, aby preletel do strany najhlbšou časťou atmosféry.
To zvyšuje odpor a umožňuje vám zbaviť sa maximálnej rýchlosti predtým, ako zapnete motory na klesanie a dokončíte motorové pristátie.
To znie, um, zábava.
Ak má ľudstvo vybudovať životaschopnú budúcnosť na povrchu Marsu, musíme tento problém prelomiť. Budeme musieť vyvinúť sériu technológií a techník, vďaka ktorým bude pristátie na Marse spoľahlivejšie a bezpečnejšie.
Mám podozrenie, že to bude oveľa náročnejšie, ako ľudia očakávajú, ale teším sa na nápady, ktoré sa v nasledujúcich rokoch otestujú.
Veľké poďakovanie patrí Nancy Atkinsonovej tu sa zaoberala touto témou v časopise Space Magazine pred viac ako desiatimi rokmi a inšpirovala ma k práci na tomto videu.
