On liiga halb, et Mars on nii huvitav koht, sest see on tegelikult Päikesesüsteemi üks keerulisemaid kohti, eriti kui soovite kaasa võtta palju pagasit. See planeet on surnuaed missioonidel, mis seda päris ei teinud.
Kuna meie ambitsioonid kasvavad ja mõtleme uurida Marsi uurimist koos inimestega - võib-olla isegi tulevaste kolonistidega -, peame lahendama kosmoseuuringute ühe suurima probleemi.
Tõsiselt raske on raskete koormate edukat maandumist Marsi pinnale.
Marsil on hunnik väljakutseid, sealhulgas kaitsva magnetosfääri puudumine ja alumine pinna gravitatsioon. Kuid üks suurimaid on õhuke süsinikdioksiidi atmosfäär.
Kui seisaksite Marsi pinnal ilma kosmoseta, külmetuksite surnuks ja lämbuksite hapnikupuudusest. Kuid teil oleks ka atmosfäärirõhk, mis teile siin Maa peal meeldib, alla 1%.
Ja selgub, et see õhuke õhkkond muudab märkimisväärselt raskete koormate turvalise hankimise Punase Planeedi pinnale uskumatult keerukaks. Tegelikult on ainult 53% Marsile saadetud missioonidest tegelikult korralikult välja töötatud.
Räägime siis sellest, kuidas minevikud Marsile on varem töötanud ja ma näitan teile, milles on probleem.
Maandumine Marsile on kõige hullem
Ajalooliselt alustatakse missioone Marsi poole Maast lennuakende ajal, mis avanevad umbes kahe aasta tagant, kui Maa ja Marss on lähemal. ExoMars lendas 2016. aastal, InSight 2018. aastal ja rover Mars 2020 lendab sisse, noh, 2020. aastal.
Lähetused järgivad planeetidevahelist ülekande trajektoori, mille eesmärk on jõuda sinna kõige kiiremini või võimalikult vähese kütusekuluga.
Kui kosmoselaev siseneb Marsi atmosfääri, liigub see kümneid tuhandeid kilomeetreid tunnis. Enne õrnalt Punase planeedi pinnale laskumist peab see kogu selle kiiruse kaotama.
Siin Maal saate oma laskumise aeglustamiseks kasutada paksu Maakera atmosfääri, tuues kiiruse maha kuumakilbiga. Kosmosesüstiku plaadid olid kavandatud taastuva soojuse absorbeerimiseks, kuna 77-tonnise orbiidi kiirus liikus kiiruselt 28 000 km / h nullini.
Sarnast tehnikat võiks kasutada ka Veenusel või Titanil, kus neil on paks atmosfäär.
Kuu ilma igasuguse atmosfäärita on suhteliselt lihtne ka maanduda. Ilma igasuguse atmosfäärita pole vaja soojavarjestust - orbiidi aeglustamiseks ja pinnale maandumiseks kasutate lihtsalt tõukejõudu. Niikaua kui tuuakse piisavalt raketikütust, võite maandumise kinni pidada.
Tagasi Marsile, kosmoselaevaga, mis tungib õhukese atmosfääri kiirusega üle 20 000 kilomeetri tunnis.
Uudishimu on piir
Traditsiooniliselt on missioonid laskumist alustanud aeroskelliga, et eemaldada osa kosmoselaeva kiirusest. Raskeim missioon, mis Marsile on kunagi saadetud, oli Curiosity, mille kaal oli 1 tonn ehk 2200 naela.
Marsi atmosfääri sisenedes kulges see 5,9 kilomeetrit sekundis ehk 22 000 kilomeetrit tunnis.
Curiosity oli kõigi aegade suurim Marsile saadetud aerosell, mille pikkus ületas 4,5 meetrit. See tohutu aerosell oli kallutatud nurga alla, mis võimaldas kosmoselaeval manööverdada, kui see tabab Marsi õhukest atmosfääri, seades eesmärgiks kindla maandumistsooni.
Ligikaudu 131 kilomeetri kõrgusel hakkaks kosmoselaev Marsi pinnale lähenedes trajektoori täiuslikuks kohandamiseks tõukejõude tulistama.
Umbes 80 sekundi jooksul läbi atmosfääri lennates tõusid temperatuurid soojakilbil 2100 kraadini. Selleks, et mitte sulada, kasutati kuumakilbis spetsiaalset materjali, mida nimetatakse fenooliga immutatud süsiniku ablaatoriks ehk PICA. Sama materjali, mida SpaceX kasutab, muide, oma Dragon Capsules.
Kui kosmoseaparaat oli kiirust aeglustanud madalamale kui Mach 2.2, saatis ta kõige suurema langevarju, mis kunagi Marsile missiooni jaoks ehitatud - 16 meetrit üle selle. See langevari võib tekitada 29 000 kilogrammi tõmbejõudu, aeglustades seda veelgi.
Riputusliinid olid valmistatud Technorast ja Kevlarist, mis on üsna tugevad ja kuumakindlad materjalid, mida me teame.
Siis viskas ta langevarju ja kasutas raketimootoreid, et selle laskumist veelgi aeglustada. Kui see oli piisavalt lähedal, paigutas Curiosity üles skycrane'i, mis laskis roveri õrnalt pinnale.
See on kiire versioon. Kui soovite põhjalikku ülevaadet sellest, mida Curiosity Marsil maandumise läbi tegi, soovitan tungivalt tutvuda Emily Lakdawalla looga „Curiosity Design and Engineering“.
Uudishimu kaalus ainult ühe tonni.
Raskemaks minemine ei skaleeri
Kas soovite sama teha ka raskemate koormate korral? Olen kindel, et kujutad ette suuremaid aerosoolesid, suuremaid langevarju, suuremaid skycranes'e.
Teoreetiliselt saadab SpaceX Starship 100 tonni koloniste ja nende asju Marsi pinnale.
Siin on probleem. Marsi atmosfääris aeglustamise meetodid ei ole eriti ulatuslikud.
Esiteks alustame langevarjudest. Ausalt öeldes on Curiosity 1-tonnise massi järgi umbes sama raske, kui saate langevarju kasutades. Kõik raskemad ja lihtsalt ei ole materjale, mida insenerid saaksid kasutada, et aeglustuskoormusega hakkama saada.
Paar kuud tagasi tähistasid NASA insenerid edasijõudnute ülehelikiirusega langevarju inflatsiooni uuringukatse ehk ASPIRE katset. See on langevari, mida kasutatakse marsruudil Mars 2020.
Nad panid kõrgtasemel komposiitkangast, nagu nailon, Technora ja Kevlar, tehtud langevarju kõlava raketi peale ja lasksid selle 37 kilomeetri kõrgusele, jäljendades tingimusi, mida kosmoselaev Marsile jõudes kogeb.
Mõne sekundi jooksul kasutusele võetud langevari koges täie jõuga 32 000 kilogrammi jõudu. Kui oleksite sel ajal pardal, kogeksite turvavööga 100 km / h kiirusega müürile kukkumist 3,6 korda rohkem jõudu. Teisisõnu, te ei elaks üle.
Kui kosmoselaev oli mõni raskem, oleks vaja, et see oleks valmistatud võimatutest komposiitkangastest. Ja unustage reisijad.
NASA on proovinud erinevaid ideid, kuidas lossida Marsile raskemad koormad, näiteks kuni 3 tonni.
Ühte ideed nimetatakse madala tihedusega ülehelikiirendiks (LDSD). Idee on kasutada palju suuremat aerodünaamilist aeglustajat, mis paisuks kosmoselaeva ümber nagu kopsakas loss, kui see siseneb Marsi gravitatsiooni.
2015. aastal katsetas NASA seda tehnoloogiat, kandes õhupallil prototüübisõidukit 36 kilomeetri kõrgusele. Seejärel tulistas sõiduk oma kindla raketi, kandes selle 55 kilomeetri kõrgusele.
Ülespoole rakeerides täitis see oma ülehelikiirusega täispuhutava aerodünaamilise kiirendi 6 meetri (või 20 jalga) läbimõõduni, mis aeglustas seda seejärel tagasi Machi 2,4. Kahjuks ei õnnestunud selle langevarju korralikult kasutusele võtta, nii et see kukkus Vaiksesse ookeani.
See on edasiminek. Kui nad suudavad reaalselt välja töötada tehnika ja füüsika, võiksime kunagi näha 3 tonnist kosmoselaeva maandumas Marsi pinnal. Kolm tervet tonni.
Rohkem tõukejõudu, vähem lasti
Järgmine mõte Marsi maandumise suurendamiseks on suurema tõukejõu kasutamine. Teoreetiliselt võite lihtsalt rohkem kütust kanda, Marsile jõudes oma raketid tulistada ja kogu selle kiiruse tühistada. Probleem on muidugi see, et mida rohkem massi peate aeglustamiseks kandma, seda vähem massi saate Marsi pinnale tegelikult maanduda.
SpaceX Starship kasutab eeldatavasti tõukejõu maandumist, et saada 100 tonni alla Marsi pinnale. Kuna Starship kulgeb otsesemat ja kiiremat rada, tabab Starship Marsi atmosfääri kiiremini kui 8,5 km / s ja kasutab seejärel sisenemise aeglustamiseks aerodünaamilisi jõude.
Muidugi ei pea see nii kiiresti minema. Tähelaev võis kasutada kiiruse tühjendamiseks mitu korda atmosfääri ülaosa. Tegelikult on see meetod, mida Marsile suunduvad kosmoselaevad kasutavad.
Kuid siis peaksid pardal viibivad reisijad veetma nädalaid, et kosmoselaev aeglustaks ja läheks ümber Marsi orbiidile ning seejärel laskuks läbi atmosfääri.
Elon Muski sõnul on tema veetlevalt intuitiivne strateegia kogu selle kuumuse käitlemiseks kosmoseaparaadi ehitamine roostevabast terasest ja siis tühjendavad selle kesta pisikesed augud metaanikütuse, et hoida kosmoselaeva tuulekülg külmas.
Kui see on piisavalt kiiresti liikunud, lülitub see välja, tulistama oma Raptori mootorid ja maanduma õrnalt Marsi pinnale.
Maakera eesmärk, tõmmake viimasel minutil üles
Iga kilogramm kütust, mida kosmoselaev kasutab Marsi pinnale laskumise aeglustamiseks, on kilogramm lasti, mida ta ei saa pinnale vedada.
Ma ei ole kindel, kas on olemas mingit elujõulist strateegiat, mis hõlbustab raskete koormate hõlbustamist Marsi pinnal. Minust targemad inimesed arvavad, et tohutul hulgal raketikütust pole enam võimalik.
Elon Musk arvab, et on olemas võimalus. Ja enne, kui me tema ideede allahindlust pakume, vaatame Falcon Heavy raketi maa kahepoolseid tugevdajaid suurepäraselt koos.
Ja ärge pöörake tähelepanu sellele, mis juhtus keskvõimendiga.
Illinoisi ülikooli Urbana-Champaigni ülikooli kosmoseosakonna uus uuring pakub välja, et Marsile suunduvatel missioonidel võiks kasutada ära paksemat atmosfääri, mis on Marsi pinnale lähemal.
Oma artiklis pealkirjaga „Marsi kõrge ballistilise koefitsiendiga sõidukite sisenemise trajektoori võimalused“ pakuvad teadlased, et Marsile lendavad kosmoseaparaadid ei pea kiirusest vabanemiseks nii kiirustama.
Kuna kosmoselaev karjub atmosfääri läbi, suudab see ikkagi tekitada palju aerodünaamilisi tõsteid, mida saaks kasutada selle atmosfääri juhtimiseks.
Nad tegid arvutused ja leidsid, et ideaalne nurk oli suunata kosmoseaparaat otse alla ja sukelduda pinna poole. Seejärel tõmmake viimasel võimalikul hetkel aerodünaamilise tõstuki abil üles atmosfääri paksema külje küljele.
See suurendab tõmbejõudu ja võimaldab teil enne laskumismootorite sisselülitamist ja mootoriga maandumise lõpetamist maksimaalsest kiirusest lahti saada.
See kõlab, um, lõbus.
Kui inimkond kavatseb Marsi pinnale elujõulise tuleviku ehitada, peame selle probleemi lahendama. Peame välja töötama rea tehnoloogiaid ja tehnikaid, mis muudavad Marsile maandumise usaldusväärsemaks ja ohutumaks.
Arvan, et see on palju keerukam, kui inimesed ootavad, kuid ootan huviga ideid, mida lähiaastatel proovile panna.
Suur tänu Nancy Atkinsonile, kes käsitles seda teemat siin rohkem kui kümme aastat tagasi kosmoseajakirjas ja inspireeris mind selle video kallal töötama.
