Занадто поганий Марс - це таке цікаве місце, адже це насправді одне з найскладніших місць для відвідування Сонячної системи, особливо якщо ви хочете взяти багато багажу. Ця планета - кладовище місій, які не зовсім досягли її.
Коли наші амбіції зростають, і ми думаємо про дослідження Марса з людьми - можливо, навіть майбутніми колоністами - нам знадобиться вирішити одну з найбільших проблем у космічному дослідженні.
Успішно висадити великі корисні навантаження на поверхню Марса насправді важко зробити.
З Марсом виникає маса викликів, включаючи його відсутність захисної магнітосфери та нижчу силу поверхні. Але однією з найбільших є його тонка атмосфера вуглекислого газу.
Якби ви стояли на поверхні Марса без скафандра, ви замерзли до смерті і задушли від нестачі кисню. Але ви також відчуєте менше 1% атмосферного тиску, який вам подобається тут, на Землі.
І виявляється, ця тонка атмосфера робить надзвичайно складним завдання безпечне отримання значних корисних навантажень на поверхню Червоної планети. Насправді лише 53% місій на Марс насправді відпрацювали належним чином.
Тож давайте поговоримо про те, як працювали місії на Марс у минулому, і я покажу, у чому проблема.
Посадка на Марс найгірша
Історично склалося, що місії на Марс починаються із Землі під час польотів, які відкриваються кожні два роки, коли Земля та Марс знаходяться ближче один до одного. ExoMars прилетів у 2016 році, InSight у 2018 році, а ровер Mars 2020 прилетить, ну, 2020 рік.
Місії дотримуються міжпланетної траєкторії передачі, розробленої для того, щоб потрапити туди швидше, або з найменшою кількістю палива.
Коли космічний корабель потрапляє в атмосферу Марса, він проходить десятки тисяч кілометрів на годину. Він повинен якось втратити всю цю швидкість, перш ніж обережно приземлитися на поверхню Червоної планети.
Тут, на Землі, ви можете використовувати густу земляну атмосферу, щоб уповільнити свій спуск, відкидаючи свою швидкість тепловим екраном. Плитки космічного човника були розроблені для поглинання тепла при повторному в'їзді, оскільки орбіта 77 тонн пройшла з 28000 км / год до нуля.
Подібна техніка може бути використана на Венері чи Титані, де у них густа атмосфера.
Місяць без жодної атмосфери взагалі відносно простий. Без атмосфери взагалі немає необхідності в тепловому екрані, ви просто використовуєте двигун для уповільнення своєї орбіти і приземлення на поверхню. Поки ви доставите достатню кількість палива, ви можете приклеїти посадку.
Назад до Марса, космічний корабель, що впадає в його тонку атмосферу із швидкістю понад 20 000 кілометрів на годину.
Цікавість - це межа
Традиційно місії починають спуск аерограшею, щоб зняти частину швидкості космічного корабля. Найважчою місією, яку коли-небудь відправляв на Марс, був Curiosity, який важив 1 метричну тону, або 2200 фунтів.
Коли він увійшов в марсіанську атмосферу, він їхав 5,9 кілометрів на секунду, або 22000 кілометрів на годину.
Цікавість мала найбільший аерозоль, який коли-небудь відправляли на Марс, розміром 4,5 метра. Цей величезний аеровокзал був нахилений під кутом, що дозволило космічному апарату маневрувати, потрапляючи в тонку атмосферу Марса, прагнучи до конкретної зони посадки.
На висоті близько 131 кілометра космічний корабель почав би стрілянину, щоб вдосконалити траєкторію, коли він наближався до поверхні Марса.
Приблизно за 80 секунд польоту через атмосферу температури на тепловому екрані піднялися до 2100 градусів Цельсія. Щоб не плавитись, тепловий щит використовував спеціальний матеріал під назвою фенольний просочений вуглецевий аблятор, або PICA. Цей же матеріал SpaceX використовує для своїх драконових капсул, до речі.
Після того як вона сповільнила свою швидкість до нижчої, ніж Мах 2.2, космічний корабель розгорнув найбільший парашут, який коли-небудь будували для місії на Марс, - 16 метрів поперек. Цей парашут міг генерувати 29 000 кілограмів тяглової сили, уповільнюючи його ще більше.
Лінії підвіски були виготовлені з Technora та Kevlar, які в значній мірі є найсильнішими та жароміцними матеріалами, про які ми знаємо.
Потім він випустив з ладу парашут і застосував ракетні двигуни, щоб ще більше уповільнити спуск. Коли це було досить близько, Curiosity розгорнув скайкран, який обережно опустив ровер вниз.
Це швидка версія. Якщо ви хочете детальний огляд того, що цікавість пережила приземлення на Марс, я настійно рекомендую ознайомитись із «Дизайн та інженерія цікавості» Емілі Лакдавалли.
Цікавість важила лише одну тону.
Перехід важче не масштабується
Хочете зробити те ж саме з більшими навантаженнями? Я впевнений, що ти уявляєш собі великі аерограші, великі парашути, більші скікрани.
Теоретично, космічний корабель SpaceX відправить на поверхню Марса 100 тон колоністів та їхніх речей.
Ось проблема. Методи гальмування в марсіанській атмосфері не дуже масштабні.
Спочатку почнемо з парашутів. Якщо чесно, то на 1 тонну цікавість настільки ж важка, як можна отримати парашут. Будь-який важчий і просто немає ніяких матеріалів, які інженери можуть використовувати, які можуть впоратися з навантаженням уповільнення.
Пару місяців тому інженери NASA відсвяткували успішне випробування Експерименту досліджень з розширеного надзвукового парашутного парашуту або ASPIRE. Це парашут, який буде використовуватися для місії ровера «Марс 2020».
Вони поклали парашут, виготовлений із передових композиційних тканин, таких як нейлон, технора та кевлар, на звукову ракету та запустили його на висоту 37 кілометрів, імітуючи умови, які космічний корабель буде переживати під час прибуття на Марс.
Парашут розгорнувся за частку секунди і повністю надутий, зазнав 32000 кілограмів сили. Якби ви були на борту в той час, ви відчували б в 3,6 рази більше сили, ніж врізатися в стіну, що рухається 100 км / год, надягаючи на ремінь безпеки. Іншими словами, ви б не вижили.
Якби космічний апарат був важчим, його потрібно було б виготовити з неможливих складених тканин. І забудьте про пасажирів.
NASA випробовує різні ідеї для висадки більш важких корисних навантажень на Марс, як-от 3 тонни.
Одну ідею називають надзвуковим делератором низької щільності, або LDSD. Ідея полягає у використанні набагато більшого аеродинамічного сповільнювача, який би надувався навколо космічного корабля, як прискорений замок, коли він потрапляє на марсіанську гравітацію.
У 2015 році НАСА фактично випробувала цю технологію, перевозивши прототип автомобіля на повітряній кулі на висоту 36 кілометрів. Потім транспортний засіб вистрілив із твердої ракети, перенісши її на висоту 55 кілометрів.
Під час ракети вгору він надув свій надувний аеродинамічний делератор наднормового діаметра до 6 метрів (або 20 футів), що потім сповільнило його назад до Маха 2.4. На жаль, його парашут не вдалося розгорнути належним чином, тому він врізався в Тихий океан.
Це прогрес. Якщо вони насправді зможуть розробити техніку та фізику, ми колись зможемо побачити 3-тонний космічний апарат, що приземлився на поверхню Марса. Три цілих тони.
Більше руху, менше вантажу
Наступна ідея для збільшення масштабу посадки на Марсі - використовувати більше приводу в рух. Теоретично ви можете просто носити більше палива, стріляти своїми ракетами, коли прибудете на Марс, і скасувати всю цю швидкість. Проблема, звичайно, полягає в тому, що чим більше маси вам доведеться перенести на сповільнення, тим менше маси ви зможете фактично приземлитися на поверхню Марса.
Очікується, що космічний корабель SpaceX використає пропульсивну посадку, щоб спуститися на поверхню Марса на 100 тонн. Оскільки він бере більш прямий, швидший шлях, Зоряний корабель вдарить до атмосфери Марсія швидше, ніж 8,5 км / с, а потім використовувати аеродинамічні сили, щоб уповільнити його в'їзд.
Звичайно, не потрібно так швидко йти. Зоряний корабель міг використовувати аеробакінг, пропускаючи верхню атмосферу кілька разів, щоб знекровити швидкість. Насправді це метод, який застосовують орбітальні космічні апарати, що йдуть на Марс.
Але тоді пасажирам на борту потрібно було б провести тижні, щоб космічний корабель сповільнився і вийшов на орбіту навколо Марса, а потім спуститися через атмосферу.
За словами Елона Маск, його захоплююча неінтуїтивна стратегія поводження з усім цим теплом полягає в тому, щоб створити космічний корабель з нержавіючої сталі, і тоді крихітні отвори в оболонці витягнуть метанове паливо, щоб зберегти прохолодну сторону космічного корабля.
Як тільки вона пропустить достатню швидкість, вона повернеться, обстрілює свої двигуни Raptor і обережно приземлиться на поверхню Марса.
Націліться на ґрунт, підтягніть в останню хвилину
Кожен кілограм палива, який космічний апарат використовує для уповільнення спуску на поверхню Марса, - це кілограм вантажу, який він не може перенести на поверхню.
Я не впевнений, що існує якась життєздатна стратегія, яка легко приземлить великі корисні навантаження на поверхню Марса. Розумніші люди, ніж я, вважають, що це неможливо без використання величезної кількості палива.
При цьому Елон Маск думає, що існує спосіб. І перед тим, як ми знизимо його ідеї, давайте подивимося, як близнюки піднімаються з ракет Falcon Heavy ідеально разом.
І не звертайте уваги на те, що сталося з центральним бустером.
Нове дослідження департаменту аерокосмічного простору в університеті Іллінойсу в Урбані-Шампені передбачає, що місії на Марс можуть скористатися більш густою атмосферою, що ближче до поверхні Марса.
У своїй роботі під назвою "Варіанти траєкторії в'їзду для транспортних засобів з високим балістичним коефіцієнтом на Марс" дослідники пропонують, що космічні кораблі, що летять на Марс, не повинні поспішати, щоб позбутися своєї швидкості.
Оскільки космічний корабель кричить через атмосферу, він все одно зможе генерувати безліч аеродинамічного підйому, яке може бути використане для керування ним по атмосфері.
Вони провели обчислення і виявили, що ідеальним кутом є просто спрямовувати космічний корабель прямо вниз і пірнати до поверхні. Потім, в останній можливий момент, підтягніть, використовуючи аеродинамічний підйомник, щоб пролетіти набік через найтовстішу частину атмосфери.
Це збільшує перетягування і дозволяє позбутися більшої кількості швидкостей, перш ніж увімкнути двигуни спуску та виконати приземлену роботу.
Це звучить, гм, весело.
Якщо людство буде будувати життєздатне майбутнє на поверхні Марса, нам буде потрібно розв'язати цю проблему. Нам знадобиться розробити низку технологій та методик, які роблять посадку на Марс більш надійною та безпечною.
Я підозрюю, що це буде набагато складніше, ніж люди очікують, але я з нетерпінням чекаю на ідеї, які будуть перевірені в найближчі роки.
Велике спасибі Ненсі Аткінсон, яка тут висвітлено цю тему в Space Magazine більше десяти років тому, і надихнуло мене на роботу над цим відео.
