Este prea rău Marte este un loc atât de interesant, deoarece este de fapt unul dintre cele mai dificile locuri de vizitat în Sistemul Solar, mai ales dacă vrei să aduci o mulțime de bagaje. Planeta este un cimitir de misiuni care nu prea au reușit.
Pe măsură ce ambițiile noastre cresc și ne gândim să explorăm Marte cu oameni - poate chiar viitori coloniști - va trebui să rezolvăm una dintre cele mai mari probleme în explorarea spațială.
Aterizarea cu succes a sarcinilor utile grele pe suprafața planetei Marte este foarte greu de făcut.
Există o mulțime de provocări cu Marte, inclusiv lipsa sa de o magnetosferă protectoare și o gravitate mai mică a suprafeței. Dar una dintre cele mai mari este atmosfera sa subțire de dioxid de carbon.
Dacă stai pe suprafața lui Marte fără un costum spațial, te-ai îngheța până la moarte și te-ai asfixia din cauza lipsei de oxigen. Dar, de asemenea, veți experimenta sub 1% presiunea atmosferică de care vă bucurați aici pe Pământ.
Și se pare, această atmosferă subțire face incredibil de dificilă obținerea unor sarcini utile semnificative în condiții de siguranță până la suprafața Planetei Roșii. De fapt, doar 53% din misiunile de pe Marte au funcționat de fapt.
Haideți să vorbim despre cum au funcționat misiunile pe Marte în trecut și vă voi arăta care este problema.
Aterizarea pe Marte este cea mai rea
Istoric, misiunile către Marte sunt lansate de pe Pământ în timpul ferestrelor de zbor care se deschid la fiecare doi ani, când Pământul și Marte sunt mai aproape împreună. ExoMars a zburat în 2016, InSight în 2018, iar rover Mars 2020 va zbura, bine, în 2020.
Misiunile urmăresc o traiectorie de transfer interplanetar concepută fie pentru a ajunge acolo cel mai rapid, fie cu cea mai mică cantitate de combustibil.
Pe măsură ce nava spațială intră în atmosfera lui Marte, parcurg zeci de mii de kilometri pe oră. Trebuie să piardă cumva toată această viteză înainte de a ateriza ușor pe suprafața Planetei Roșii.
Aici, pe Pământ, poți folosi atmosfera grozavă terestră pentru a încetini coborârea, sângerând viteza cu un scut termic. Placile navetei spațiale au fost proiectate pentru a absorbi căldura reintrării, deoarece orbitorul de 77 de tone a trecut de la 28.000 km / h la zero.
O tehnică similară ar putea fi folosită pe Venus sau Titan, unde au atmosfere groase.
Luna, fără nici o atmosferă deloc, este relativ simplă pentru a ateriza. Fără atmosferă deloc, nu este nevoie de un scut termic, doar folosiți propulsia pentru a încetini orbita și a ateriza la suprafață. Atâta timp cât aduceți suficient combustibil, puteți lipi aterizarea.
Înapoi pe Marte, cu o navă spațială care se prăbușește în atmosfera sa subțire, la peste 20.000 de kilometri pe oră.
Curiozitatea este limita
În mod tradițional, misiunile și-au început coborârea cu ajutorul unei aeroshell pentru a îndepărta o parte din viteza navei spațiale. Cea mai grea misiune trimisă vreodată pe Marte a fost Curiosity, care cântărea la 1 tonă metrică sau 2.200 de lire sterline.
Când a intrat în atmosfera marțiană, mergea 5,9 kilometri pe secundă sau 22 000 de kilometri pe oră.
Curiozitatea a fost cea mai mare aeroshell trimisă vreodată pe Marte, măsurând 4,5 metri. Această uriașă aeroshell a fost înclinată într-un unghi, permițând navei spațiale să manevreze, deoarece lovește atmosfera subțire a planetei Marte, vizând o zonă de aterizare specifică.
La aproximativ 131 de kilometri altitudine, nava spațială ar începe să tragă propulsoare pentru a ajusta perfect traiectoria pe măsură ce se apropia de suprafața lui Marte.
La aproximativ 80 de secunde de zbor prin atmosferă, temperaturile de pe scutul de căldură au crescut la 2.100 de grade celsius. Pentru a nu se topi, scutul de căldură a folosit un material special numit Ablator fenolic impregnat din carbon sau PICA. Apropo, același material SpaceX îl folosește pentru Capsulele Dragon.
După ce și-a micșorat viteza până la mai puțin decât Mach 2.2, nava spațială a desfășurat cea mai mare parașută construită vreodată pentru o misiune pe Marte - la 16 metri. Această parașută ar putea genera 29.000 de kilograme de forță de tracțiune, încetinind-o și mai mult.
Liniile de suspensie au fost realizate din Technora și Kevlar, care sunt aproape cele mai puternice și mai rezistente la căldură materiale pe care le știm.
Apoi și-a răsturnat parașuta și a folosit motoare rachetă pentru a încetini coborârea și mai mult. Când era destul de aproape, Curiosity a desfășurat o macara care coborâse ușor roverul în jos.
Aceasta este versiunea rapidă. Dacă doriți o imagine de ansamblu asupra a ceea ce a trecut Curiosity prin aterizarea pe Marte, vă recomand să consultați „Proiectarea și ingineria curiozității” de Emily Lakdawalla.
Curiozitatea cântărea doar o tonă.
O scară mai grea nu se face la scară
Vrei să faci același lucru cu sarcini utile mai grele? Sunt sigur că vă imaginați aeroshell-uri mai mari, parașute mai mari, vârfuri mari.
Teoretic, nava spațială SpaceX va trimite 100 de tone de coloniști și lucrurile lor pe suprafața planetei Marte.
Iată problema. Metodele de decelerare în atmosfera marțiană nu se extind foarte bine.
În primul rând, să începem cu parașutele. Ca să fiu sincer, la 1 tonă, Curiosity este cam la fel de grea pe cât poți obține folosind o parașută. Orice este mai greu și nu există niciun inginer de materiale care să poată face față încărcării de decelerație.
În urmă cu câteva luni, inginerii NASA au sărbătorit testul de succes al Experimentului avansat de cercetare a inflației cu suprapunere cu parașuta sau ASPIRE. Aceasta este parașuta care va fi folosită pentru misiunea rover Mars 2020.
Au așezat parașuta din țesături compozite avansate, cum ar fi nylonul, Technora și Kevlar, pe o rachetă sunătoare și au lansat-o la o altitudine de 37 de kilometri, imitând condițiile pe care navele spațiale le vor experimenta la sosirea lor pe Marte.
Parașuta desfășurată într-o fracțiune de secundă și umflată complet, a experimentat 32.000 de kilograme de forță. Dacă ai fi la bord la acea vreme, ai experimenta de 3,6 ori mai multă forță decât să te prăbușești într-un perete care merge 100 km / h purtând centura de siguranță. Cu alte cuvinte, nu ai supraviețui.
Dacă nava spațială ar fi fost mai grea, ar trebui să fie realizată din țesături compozite imposibile. Și uitați de pasageri.
NASA a încercat diferite idei pentru a debarca sarcini mai grele pe Marte, ca de altfel, până la 3 tone.
O idee se numește decelerator supersonic de joasă densitate sau LDSD. Ideea este de a utiliza un decelerator aerodinamic mult mai mare, care s-ar umfla în jurul navei spațiale ca un castel bâlbâit, pe măsură ce intră în gravitația marțiană.
În 2015, NASA a testat de fapt această tehnologie, transportând un vehicul prototip pe un balon la o altitudine de 36 de kilometri. Vehiculul și-a tras apoi racheta solidă, transportând-o la o altitudine de 55 de kilometri.
Pe măsură ce se înălțase în sus, și-a umflat deceleratorul aerodinamic supersonic gonflabil la un diametru de 6 metri (sau 20 de metri), care apoi l-a încetinit până la Mach 2.4. Din păcate, parașuta sa nu a reușit să se desfășoare în mod corespunzător, așa că s-a prăbușit în Oceanul Pacific.
Acest lucru este progres. Dacă pot să lucreze efectiv la inginerie și fizică, am putea vedea într-o zi o aterizare a navei spațiale de 3 tone pe suprafața lui Marte. Trei tone întregi.
Mai multă propulsie, mai puțină marfă
Următoarea idee pentru a crește o aterizare pe Marte este de a utiliza mai multă propulsie. Teoretic, puteți transporta mai mult combustibil, trageți rachetele când ajungeți pe Marte și anulați toată această viteză. Problema, desigur, este că cu cât trebuie să transportați mai multă masă pentru a decelera, cu atât mai puțină masă puteți ateriza pe suprafața lui Marte.
Nava națională SpaceX este de așteptat să utilizeze o aterizare propulsivă pentru a coborî 100 de tone pe suprafața planetei Marte. Deoarece este nevoie de o cale mai directă, mai rapidă, Nava Stelară va lovi atmosfera marțiană mai repede de 8,5 km / s și apoi va folosi forțe aerodinamice pentru a încetini intrarea sa.
Desigur, nu trebuie să meargă repede. Nava stelară ar putea folosi aerobraking, trecând prin atmosfera superioară de mai multe ori pentru a sângera viteza. De fapt, aceasta este metoda pe care o folosesc nave spațiale orbitale care merg pe Marte.
Dar atunci pasagerii de la bord ar trebui să petreacă săptămâni întregi pentru ca nava spațială să încetinească și să meargă pe orbită în jurul Marte, apoi să coboare prin atmosferă.
Potrivit lui Elon Musk, strategia sa încântătoare de dezinvoltare pentru a gestiona toată acea căldură este de a construi nava spațială din oțel inoxidabil, iar apoi găurile minuscule ale carcasei vor alunga combustibilul metan pentru a menține partea răcoroasă a navei spațiale.
După ce va arunca suficientă viteză, va transforma motoarele Raptor și va ateriza ușor pe suprafața lui Marte.
Scopul pentru sol, trageți în sus în ultimul minut
Fiecare kilogram de combustibil pe care îl folosește nava spațială pentru a-și încetini coborârea pe suprafața planetei Marte este un kilogram de marfă pe care nu îl poate transporta la suprafață.
Nu sunt sigur că există vreo strategie viabilă care să aterizeze cu ușurință sarcini utile grele pe suprafața planetei Marte. Oameni mai deștepți decât mine cred că este destul de imposibil fără a utiliza cantități enorme de combustibil.
Acestea fiind spuse, Elon Musk crede că există o cale. Și înainte de a-i reduce ideile, să urmărim perfect pe cele două părți laterale de pe terenul rachetei Falcon Heavy.
Și nu acorda atenție celor întâmplate cu rapelul central.
Un nou studiu realizat de Departamentul Aerospațial de la Universitatea Illinois din Urbana-Champaign propune că misiunile pe Marte ar putea profita de atmosfera mai groasă, care este mai aproape de suprafața lui Marte.
În lucrarea lor intitulată „Opțiuni de traiectorie de intrare pentru vehicule cu înaltă coeficiență balistică de pe Marte”, cercetătorii propun că navele spațiale care zboară către Marte nu trebuie să se grăbească să scape de viteza lor.
Deoarece nava spațială țipă prin atmosferă, va putea totuși să genereze o mulțime de ascensoare aerodinamice, care ar putea fi folosite pentru a o conduce prin atmosferă.
Au executat calculele și au descoperit că unghiul ideal era să îndrepte doar nava spațială drept în jos și să te scufunde spre suprafață. Apoi, în ultimul moment posibil, trageți în sus folosind liftul aerodinamic pentru a zbura lateral prin partea cea mai groasă a atmosferei.
Acest lucru mărește dragul și vă permite să scăpați de cea mai mare cantitate de viteză înainte de a porni motoarele de coborâre și de a finaliza aterizarea cu motor.
Sună, distracție.
Dacă umanitatea își va construi un viitor viabil pe suprafața planetei Marte, va trebui să rezolvăm această problemă. Va trebui să dezvoltăm o serie de tehnologii și tehnici care să facă aterizarea pe Marte mai fiabilă și mai sigură.
Bănuiesc că va fi mult mai dificil decât se așteaptă oamenii, dar aștept cu nerăbdare ideile care vor fi testate în următorii ani.
O mulțumire mare Nancy Atkinson care A abordat acest subiect aici pe Space Magazine în urmă cu mai bine de un deceniu și m-a inspirat să lucrez la acest videoclip.
