Je příliš špatné, že Mars je tak zajímavé místo, protože je to vlastně jedno z nejobtížnějších míst k návštěvě Sluneční soustavy, zejména pokud si chcete přinést spoustu zavazadel. Tato planeta je hřbitovem misí, které to docela neudělaly.
Jak naše ambice rostou, a přemýšlíme o prozkoumání Marsu s lidmi - možná i budoucích kolonistů -, budeme muset vyřešit jeden z největších problémů v průzkumu vesmíru.
Úspěšně přistát těžká užitečná zatížení na povrchu Marsu je opravdu obtížné.
S Marsem je spousta výzev, včetně nedostatku ochranné magnetosféry a nižší gravitace povrchu. Jedním z největších je ale tenká atmosféra oxidu uhličitého.
Pokud byste stáli na hladině Marsu bez skafandru, zmrazili byste na smrt a zadusili se nedostatkem kyslíku. Ale také byste zažili méně než 1% atmosférického tlaku, který si tady užíváte na Zemi.
A ukázalo se, že tato tenká atmosféra je neuvěřitelně náročné bezpečně dostat významná užitečná zatížení dolů na povrch Rudé planety. Ve skutečnosti pouze 53% misí na Mars skutečně fungovalo správně.
Pojďme tedy mluvit o tom, jak mise na Marsu fungovaly v minulosti, a ukážu vám, v čem je problém.
Přistání na Marsu je nejhorší
Historicky jsou mise na Mars zahájeny ze Země během letových oken, které se otevírají každé dva roky, když jsou Země a Mars blíže k sobě. ExoMars létal v roce 2016, InSight v roce 2018 a Mars 2020 rover bude létat, dobře, 2020.
Mise sledují meziplanetární přenosovou trajektorii navrženou tak, aby se tam dostaly nejrychleji, nebo s minimálním množstvím paliva.
Jak kosmická loď vstupuje do atmosféry Marsu, jde to desítky tisíc kilometrů za hodinu. Musí nějakým způsobem ztratit veškerou rychlost, než jemně přistane na povrchu Rudé planety.
Zde na Zemi můžete pomocí silné zemské atmosféry zpomalit svůj sestup a krvácení z vaší rychlosti tepelným štítem. Dlaždice raketoplánu byly navrženy tak, aby absorbovaly teplo opětovného vstupu, protože orbiter o 77 tunách se zvýšil z 28 000 km / h na nulu.
Podobnou techniku lze použít na Venuši nebo Titanu, kde mají silnou atmosféru.
Měsíc, bez atmosféry vůbec, je relativně přímočarý i na přistání. Bez atmosféry vůbec není potřeba tepelného štítu, stačí použít pohon ke zpomalení orbity a přistání na povrchu. Dokud přinesete dostatek paliva, můžete přistát.
Zpět na Mars, s kosmickou lodí vrhající se do své tenké atmosféry rychlostí více než 20 000 kilometrů za hodinu.
Zvědavost je limit
Tradičně mise začaly sestupovat aeroshellem, aby odstranily část rychlosti kosmické lodi. Nejtěžší misí, jaká kdy byla na Mars vyslána, byla zvědavost, která vážila 1 metrickou tunu, neboli 2 200 liber.
Když vstoupila do marťanské atmosféry, šlo to 5,9 km za sekundu nebo 22 000 km za hodinu.
Zvědavost nechala na Mars přenést největší aeroshell, který kdy měřil 4,5 metru. Tento obrovský aeroshell byl nakloněn pod úhlem, což umožnilo kosmické lodi manévrovat, když zasáhlo tenkou atmosféru Marsu a zaměřilo se na konkrétní přistávací zónu.
Ve výšce asi 131 kilometrů začala kosmická loď střílet, aby dokonale upravila trajektorii, když se přiblížila k povrchu Marsu.
Asi 80 sekund letu atmosférou vzrostly teploty na tepelném štítu na 2 100 stupňů Celsia. Aby nedošlo k roztavení, tepelný štít používal speciální materiál zvaný fenolický impregnovaný uhlíkový ablátor nebo PICA. Stejný materiál, který SpaceX používá pro své Dragon Capsules, mimochodem.
Jakmile zpomalila svou rychlost na méně než Mach 2,2, kosmická loď nasadila největší padák, který kdy byl postaven pro misi na Mars - 16 metrů napříč. Tento padák by mohl generovat 29 000 kilogramů tažné síly a ještě více ji zpomalit.
Linky zavěšení byly vyrobeny z technologií Technora a Kevlar, což jsou do značné míry ty nejsilnější a nejvíce žáruvzdorné materiály, které známe.
Pak odhodil svůj padák a pomocí raketových motorů ještě více zpomalil svůj sestup. Když bylo dost blízko, kuriozita nasadila skycrane, který jemně spustil rover dolů na povrch.
Toto je rychlá verze. Pokud chcete rozsáhlý přehled o tom, co zvědavost prošla přistáním na Marsu, vřele doporučuji podívat se na „Návrh a inženýrství zvědavosti“ Emily Lakdawallové.
Zvědavost vážila pouze jednu tunu.
Těžší není měřítko
Chcete udělat totéž s těžšími užitečnými náklady? Určitě si představujete větší aeroshells, větší padáky, větší skycranes.
Vesmírná loď SpaceX teoreticky pošle 100 tun kolonistů a jejich věcí na povrch Marsu.
Tady je problém. Metody zpomalení v marťanské atmosféře se příliš dobře nezvyšují.
Nejprve začněme s padáky. Abych byl upřímný, v 1tuně je zvědavost asi tak těžká, jak se dá pomocí padáku. Těžší a tam prostě nejsou žádné materiály, které mohou použít inženýři, kteří zvládnou zatížení zpomalením.
Před několika měsíci oslavili inženýři NASA úspěšný test experimentu Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment neboli ASPIRE. Toto je padák, který bude použit pro mise Mars 2020 rover.
Umístili padák vyrobený z pokročilých kompozitních tkanin, jako je nylon, Technora a Kevlar, na znějící raketu a vypustili ji do nadmořské výšky 37 kilometrů, čímž napodobují podmínky, které kosmická loď zažije při příjezdu na Mars.
Padák nasazený za zlomek vteřiny a plně nahuštěný, zažil 32 000 kilogramů síly. Pokud byste byli v té době na palubě, zažili byste 3,6krát větší sílu, než kdyby narazili do zdi, která by měla 100 km / h, která nosí váš bezpečnostní pás. Jinými slovy, nepřežili byste.
Pokud by byla kosmická loď těžší, musela by být vyrobena z nemožných kompozitních tkanin. A zapomeňte na cestující.
NASA zkouší různé nápady, jak vyložit těžší užitečná zatížení na Marsu, stejně jako až 3 tuny.
Jeden nápad se nazývá supersonický zpomalovač s nízkou hustotou nebo LDSD. Záměrem je použít mnohem větší aerodynamický zpomalovač, který by se nafoukl kolem kosmické lodi jako skákací hrad, když vstupuje na marťanskou gravitaci.
V roce 2015 NASA tuto technologii skutečně otestovala a nesla prototypové vozidlo na balónu v nadmořské výšce 36 kilometrů. Vozidlo poté vypálilo svou pevnou raketu a přeneslo ji do nadmořské výšky 55 kilometrů.
Jak to stoupalo vzhůru, nafouklo jeho nadzvukový nafukovací aerodynamický zpomalovač na průměr 6 metrů (nebo 20 stop), který jej poté zpomalil zpět na Mach 2.4. Bohužel jeho padák se nepodařilo správně nasadit, takže narazil do Tichého oceánu.
To je pokrok. Pokud dokážou skutečně vypracovat strojírenství a fyziku, mohli bychom jednoho dne vidět, jak na hladinu Marsu přistávají 3tunové kosmické lodě. Tři celé tuny.
Více pohonu, méně nákladu
Další nápad, jak zvýšit přistání na Marsu, je použít více pohonu. Teoreticky stačí nosit více paliva, vypálit své rakety, když dorazíte na Mars, a zrušit veškerou tuto rychlost. Problém je samozřejmě v tom, že čím více hmoty musíte mít, abyste zpomalili, tím méně hmoty, kterou můžete skutečně přistát na povrchu Marsu.
Očekává se, že kosmická loď Vesmírná loď použije propulzní přistání, aby se dostala 100 tun na povrch Marsu. Protože se jedná o přímější a rychlejší cestu, bude hvězdná loď zasáhnout marťanskou atmosféru rychleji než 8,5 km / sa poté použít aerodynamické síly ke zpomalení jejího vstupu.
Nemusí to samozřejmě jít tak rychle. Hvězdná loď mohla použít aerobraking a několikrát prošla horní atmosférou, aby vypustila rychlost. Ve skutečnosti je to metoda, kterou orbitální kosmická loď jede na Mars.
Ale pak by cestující na palubě museli strávit týdny, než bude kosmická loď zpomalit a jít na oběžnou dráhu kolem Marsu, a pak sestoupit atmosférou.
Podle Elona Muska je jeho úžasně neintuitivní strategií pro manipulaci se vším tím teplem stavět kosmickou loď z nerezové oceli, a pak malé díry ve skořápce vypustí metanové palivo, aby zůstala přední strana kosmické lodi v chladu.
Jakmile uvolní dostatečnou rychlost, obrátí se, vypálí motory Raptor a jemně přistane na povrchu Marsu.
Zaměřte se na zem, vytáhněte na poslední chvíli
Každý kilogram paliva, který kosmická loď používá ke zpomalení sestupu na povrch Marsu, je kilogramem nákladu, který nemůže nést na povrch.
Nejsem si jistý, zda existuje nějaká životaschopná strategie, která snadno vyloží těžká užitečná zatížení na povrch Marsu. Chytřejší lidé než já si myslí, že je to téměř nemožné, aniž bychom použili obrovské množství paliva.
To znamená, že Elon Musk si myslí, že existuje cesta. A než zlevníme jeho nápady, podívejme se společně na dvojité posilovače z rakety Falcon Heavy.
A nevěnujte pozornost tomu, co se stalo centrálnímu posilovači.
Nová studie oddělení letectví na University of Illinois v Urbana-Champaign navrhuje, aby mise na Mars mohly využívat silnější atmosféru, která je blíže k povrchu Marsu.
Ve svém příspěvku nazvaném „Možnosti trajektorie vstupů pro vysokorychlostní balistické koeficienty na Marsu“ vědci navrhují, že kosmická loď létající na Mars nemusí být v takovém spěchu, aby se zbavila své rychlosti.
Jak kosmická loď křičí atmosférou, bude stále schopna generovat spoustu aerodynamického zdvihu, který by mohl být použit k jejímu vedení atmosférou.
Provedli výpočty a zjistili, že ideálním úhlem bylo nasměrovat kosmickou loď přímo dolů a ponořit se k povrchu. Potom v posledním možném okamžiku vytáhněte pomocí aerodynamického výtahu, abyste létali do strany nejhustší částí atmosféry.
To zvyšuje odpor a umožňuje vám zbavit se co největšího množství rychlosti, než zapnete motory na klesání a dokončíte své motorové přistání.
To zní, um, legrace.
Pokud si lidstvo na povrchu Marsu vybuduje životaschopnou budoucnost, musíme tento problém popraskat. Budeme muset vyvinout řadu technologií a technik, díky nimž bude přistání na Marsu spolehlivější a bezpečnější.
Mám podezření, že to bude mnohem náročnější, než lidé očekávají, ale těším se na nápady, které budou vyzkoušeny v následujících letech.
Velké poděkování patří Nancy Atkinsonové toto téma zde ve Vesmírném časopise před více než deseti lety a inspirovala mě k práci na tomto videu.
