Толкова лош Марс е толкова интересно място, защото всъщност е едно от най-трудните места за посещение в Слънчевата система, особено ако искате да вземете много багаж. Тази планета е гробище на мисии, които не са я направили съвсем.
Докато нашите амбиции растат и мислим за изследване на Марс с хора - може би дори бъдещи колонисти - ще трябва да решим един от най-големите проблеми в космическото изследване.
Успешно кацането на тежки полезни товари на повърхността на Марс е наистина трудно да се направи.
Има куп предизвикателства с Марс, включително липсата на защитна магнитосфера и по-ниска повърхностна гравитация. Но една от най-големите е тънката му атмосфера на въглероден диоксид.
Ако стояхте на повърхността на Марс без скафандър, щяхте да замръзнете до смърт и да задушите от липса на кислород. Но вие също ще изпитате по-малко от 1% атмосферното налягане, на което се радвате тук, на Земята.
И се оказва, че тази тънка атмосфера го прави невероятно предизвикателно да получат значителни полезни товари безопасно до повърхността на Червената планета. Всъщност само 53% от мисиите до Марс всъщност са работили правилно.
Нека поговорим за това как са работили мисиите до Марс в миналото и аз ще ви покажа какъв е проблемът.
Кацането на Марс е най-лошото
В исторически план мисиите до Марс са стартирани от Земята по време на полетите на пролетта, които се отварят на всеки две години, когато Земята и Марс са по-близо един до друг. ExoMars лети през 2016 г., InSight през 2018 г. и роувърът Mars 2020 ще лети в, добре, 2020 година.
Мисиите следват траекторията на междупланетен трансфер, чиято цел е най-бързо да стигнете до там или с най-малко количество гориво.
Докато космическият кораб навлиза в атмосферата на Марс, той преминава десетки хиляди километри в час. Трябва по някакъв начин да загуби цялата тази скорост, преди да кацне нежно на повърхността на Червената планета.
Тук, на Земята, можете да използвате плътната земнишка атмосфера, за да забавите спускането си, кървяйки от скоростта си с топлинен щит. Плочките на космическата совалка са проектирани да поемат топлината на повторно влизане, тъй като орбитата от 77 тона премина от 28 000 км / ч до нула.
Подобна техника би могла да се използва на Венера или Титан, където имат гъста атмосфера.
Луната, без каквато и да е атмосфера, е сравнително проста. Без никаква атмосфера изобщо няма нужда от топлинен щит, просто използвате задвижване, за да забавите орбитата си и да кацнете на повърхността. Докато носите достатъчно гориво, можете да залепите кацането.
Назад към Марс, като космическият кораб нахлу в тънката му атмосфера с повече от 20 000 километра в час.
Любопитството е границата
Традиционно мисиите са започнали слизането си с аерографа, за да премахнат част от скоростта на космическия кораб. Най-тежката мисия, изпращана някога на Марс, беше Curiosity, която тежеше 1 метричен тон, или 2200 паунда.
Когато влезе в марсианската атмосфера, той вървеше 5,9 километра в секунда, или 22 000 километра в час.
Любопитството имаше най-големия аерозол, изпратен някога на Марс, с размери 4,5 метра. Този огромен аерозол беше наклонен под ъгъл, което позволява на космическия кораб да маневрира, докато удря тънката атмосфера на Марс, като се стреми към конкретна зона за кацане.
На около 131 километра надморска височина космическият кораб щеше да започне да изстрелва тласкачи, за да коригира перфектно траекторията, когато наближи повърхността на Марс.
Около 80 секунди полет през атмосферата температурите на топлинния щит се повишиха до 2100 градуса по Целзий. За да не се стопи, топлинният щит е използвал специален материал, наречен фенолен импрегниран въглероден аблатор, или PICA. Същият материал, който SpaceX използва за своите Dragon Capsules, между другото.
След като забави скоростта си до по-ниска от Мах 2.2, космическият кораб разположи най-големия парашут, построен някога за мисия до Марс - 16 метра напречно. Този парашут може да генерира 29 000 килограма сила на влачене, забавяйки го още повече.
Линиите на окачването са направени от Technora и Kevlar, които са почти най-силните и устойчиви на топлина материали, за които знаем.
Тогава той изхвърли парашута си и използва ракетни двигатели, за да забави спускането си още повече. Когато беше достатъчно близо, Curiosity разположи скикран, който леко спускаше роувъра надолу към повърхността.
Това е бързата версия. Ако искате обширен преглед на това, което любопитството премина през кацането на Марс, горещо ви препоръчвам да разгледате „Дизайнът и инженерството на любопитството“ на Емили Лакдавала.
Любопитството тежеше само един тон.
Отиването на по-тежко няма мащаб
Искате ли да направите същото с по-тежки полезни товари? Сигурен съм, че си представяте по-големи аерозоли, по-големи парашути, по-големи скикрани.
На теория, SpaceX Starship ще изпрати 100 тона колонисти и техните неща на повърхността на Марс.
Ето проблема. Методите за забавяне на скоростта в марсианската атмосфера не се увеличават много добре.
Първо, нека започнем с парашути. За да бъда честен, на 1 тон любопитството е почти толкова тежко, колкото можете да получите с парашут. Който и да е по-тежък и просто няма материали, които инженерите могат да използват, които могат да се справят с натоварването.
Преди няколко месеца инженерите на НАСА отпразнуваха успешния тест на Научноизследователския експеримент за напреднал свръхзвуков парашут или ASPIRE. Това е парашутът, който ще бъде използван за мисията на роувър „Марс 2020“.
Те поставиха парашута, изработен от усъвършенствани композитни платове, като найлон, Технора и Кевлар, върху сондажна ракета и го изстреляха на надморска височина от 37 километра, имитирайки условията, които космическият кораб ще изпита при пристигането си на Марс.
Парашутът се разгърна в частица от секундата и напълно надут, изпита 32 000 килограма сила. Ако по това време сте били на борда, бихте изпитали 3,6 пъти повече сила, отколкото да се блъснете в стена с скорост 100 км / ч, носеща предпазния си колан. С други думи, не бихте оцеляли.
Ако космическият кораб беше по-тежък, той би трябвало да бъде направен от невъзможни композитни платове. И забравете за пътниците.
НАСА изпробва различни идеи да каца по-тежки полезни товари на Марс, като 3 тона.
Една идея се нарича свръхзвуков декларатор с ниска плътност или LDSD. Идеята е да се използва много по-голям аеродинамичен ускорител, който ще се надуе около космическия кораб като оживен замък, когато навлиза в гравитацията на Марсиан.
През 2015 г. НАСА всъщност тества тази технология, пренасяйки прототипно превозно средство на балон до надморска височина от 36 километра. След това превозното средство изстреля солидната си ракета, пренасяйки я на надморска височина от 55 километра.
Докато се ракетираше нагоре, тя надува своя свръхзвуков надуваем аеродинамичен ускорител до диаметър 6 метра (или 20 фута), което след това го забавя обратно до Мах 2.4. За съжаление парашутът му не успя да се разгърне правилно, така че се разби в Тихия океан.
Това е напредък Ако те действително могат да изработят инженерство и физика, някой ден бихме могли да видим 3-тонен космически кораб, който каца на повърхността на Марс. Три цели тона.
Повече задвижване, по-малко товари
Следващата идея за мащабиране на кацането на Марс е да се използва повече задвижване. На теория можете просто да носите повече гориво, да стреляте с ракетите си, когато пристигнете на Марс, и да отмените цялата тази скорост. Проблемът, разбира се, е, че колкото повече маса трябва да носите, за да намалите скоростта, толкова по-малко маса можете да кацнете в действителност на повърхността на Марс.
Очаква се космическият кораб SpaceX да използва пропулсивно кацане, за да стигне 100 тона до повърхността на Марс. Тъй като заема по-директен, по-бърз път, Звезден кораб ще удари марсианската атмосфера по-бързо от 8,5 км / с и след това ще използва аеродинамични сили, за да забави влизането му.
Не е нужно да върви толкова бързо, разбира се Звездният кораб може да използва аеробракинг, преминавайки през горната атмосфера няколко пъти, за да обезвъздуши скоростта. Всъщност това е методът, който орбиталните космически кораби, които отиват на Марс, използват.
Но след това пътниците на борда ще трябва да прекарат седмици, за да се забави космическият кораб и да излезе в орбита около Марс, а след това да се спусне през атмосферата.
Според Илън Мъск, неговата възхитително неинтуитивна стратегия за боравене с цялата тази топлина е да изгради космическия кораб от неръждаема стомана, а след това малки дупки в корпуса ще изсмукват метановото гориво, за да се запази наветрената страна на космическия кораб хладно.
Щом той хвърли достатъчно скорост, той ще се обърне, ще стреля своите двигатели Raptor и леко ще се приземи на повърхността на Марс.
Насочете се към земята, издърпайте нагоре в последната минута
Всеки килограм гориво, което космическият кораб използва, за да забави спускането си към повърхността на Марс, е килограм товар, който не може да пренесе на повърхността.
Не съм сигурен, че има жизнеспособна стратегия, която лесно ще каца тежки полезни товари на повърхността на Марс. По-умните хора от мен смятат, че е почти невъзможно без използване на огромни количества гориво.
Това каза, Елон Мъск смята, че има начин. И преди да намалим идеите му, нека да гледаме двойните странични бустери от ракетата Falcon Heavy да се приземят перфектно заедно.
И не обръщайте внимание на случилото се с централния бустер.
Ново проучване на аерокосмическия отдел в Университета на Илинойс в Урбана-Шампайн предлага мисиите до Марс да се възползват от по-плътната атмосфера, която е по-близо до повърхността на Марс.
В своя труд, озаглавен „Опции за траекторията на влизане за високо балистични превозни средства на Марс“, изследователите предполагат, че космическите кораби, които летят до Марс, не е необходимо да бързат да се отърват от скоростта си.
Тъй като космическият кораб крещи през атмосферата, той все още ще може да генерира много аеродинамично повдигане, което може да се използва за насочването му през атмосферата.
Те извършиха изчисленията и установиха, че идеалният ъгъл е просто да насочи космическия кораб право надолу и да се гмурне към повърхността. След това, в последния възможен момент, издърпайте нагоре, като използвате аеродинамичния повдигач, за да летите настрани през най-дебелата част на атмосферата.
Това увеличава влаченето и ви позволява да се отървете от най-високата скорост, преди да включите двигателите за спускане и да завършите захранващото си кацане.
Това звучи, хм, забавно.
Ако човечеството ще изгради жизнеспособно бъдеще на повърхността на Марс, ще трябва да преодолеем този проблем. Ще трябва да разработим редица технологии и техники, които да направят кацането на Марс по-надеждно и безопасно.
Подозирам, че ще бъде много по-предизвикателно, отколкото хората очакват, но с нетърпение очаквам идеите, които ще бъдат тествани в следващите години.
Голямо благодаря на Нанси Аткинсън, която обхвана тази тема тук в Space Magazine преди повече от десетилетие и ме вдъхнови да работя върху това видео.
