Tas ir pārāk slikti. Marss ir tik interesanta vieta, jo tā faktiski ir viena no vissarežģītākajām Saules sistēmas apmeklēšanas vietām, it īpaši, ja vēlaties paņemt līdzi daudz bagāžas. Šī planēta ir misiju kapavieta, kas to gluži nepaveicās.
Pieaugot mūsu ambīcijām un domājot par Marsa izpēti kopā ar cilvēkiem - varbūt pat nākamajiem kolonistiem -, mums būs jāatrisina viena no lielākajām kosmosa izpētes problēmām.
Veiksmīgi nosūtīt smagas kravas uz Marsa virsmas ir patiešām ļoti grūti.
Ar Marsu ir sarežģīti izaicinājumi, tostarp tas, ka tai nav aizsargājošas magnetosfēras un zemāka virsmas gravitācijas. Bet viens no lielākajiem ir tā plānā oglekļa dioksīda atmosfēra.
Ja jūs stāvētu uz Marsa virsmas bez kosmētikas, jūs varētu sasalst līdz nāvei un nosmakt no skābekļa trūkuma. Bet arī atmosfēras spiediens, kas jums patīk šeit, uz Zemes, ir mazāks par 1%.
Un izrādās, šī plānā atmosfēra padara neticami sarežģītu drošas kravas ievērojamu nokļūšanu līdz Sarkanās planētas virsmai. Faktiski tikai 53% no misijām uz Marsu faktiski ir noritējuši pareizi.
Parunāsim par to, kā pagātnē ir strādājušas misijas uz Marsu, un es jums parādīšu, kāda ir problēma.
Piezemēšanās uz Marsa ir vissliktākā
Vēsturiski misijas uz Marsu tiek sāktas no Zemes lidojuma laikā, kas tiek atvērts ik pēc diviem gadiem, kad Zeme un Marss atrodas tuvāk. ExoMars lidoja 2016. gadā, InSight - 2018. gadā un rover Mars 2020 lidos labi, 2020. gadā.
Misijas notiek pēc starpplanētu pārsūtīšanas trajektorijas, kas paredzēta, lai tur nokļūtu visātrāk vai ar vismazāko degvielas daudzumu.
Kosmosa kuģim nonākot Marsa atmosfērā, tas dodas desmitiem tūkstošu kilometru stundā. Pirms maigi nosēžoties uz Sarkanās planētas virsmu, tam kaut kā jāzaudē viss ātrums.
Šeit, uz Zemes, jūs varat izmantot biezo Zemes atmosfēru, lai palēninātu nolaišanos, ar siltuma vairoga palīdzību novirzot ātrumu. Kosmosa atspoles flīzes tika izstrādātas, lai absorbētu atkārtotas iekļūšanas siltumu, jo 77 tonnu orbiters no 28 000 km / h devās līdz nullei.
Līdzīgu paņēmienu varētu izmantot uz Venēras vai Titāna, kur tiem ir bieza atmosfēra.
Mēness bez jebkādas atmosfēras ir samērā vienkārši nolaižams. Bez jebkādas atmosfēras nav nepieciešams karstuma vairogs; jūs vienkārši izmantojat piedziņu, lai palēninātu savu orbītu un piezemētos uz virsmas. Kamēr jūs ienesat pietiekami daudz propelenta, jūs varat pielīmēt nosēšanos.
Atpakaļ uz Marsu, kosmosa kuģim ieplūstot atmosfērā ar ātrumu vairāk nekā 20 000 kilometru stundā.
Ziņkārība ir robeža
Tradicionāli misijas ir sākušas nolaišanos ar aerosolu, lai noņemtu daļu no kosmosa kuģa ātruma. Smagākā misija, kas jebkad tika nosūtīta uz Marsu, bija Curiosity, kuras svars bija 1 metriskā tonna jeb 2200 mārciņas.
Ienākot Marsa atmosfērā, tas brauca 5,9 kilometrus sekundē jeb 22 000 kilometrus stundā.
Ziņkārībai bija lielākais aerosols, kāds jebkad nosūtīts uz Marsu, kura garums bija 4,5 metri. Šis milzīgais aeroshell tika noliekts leņķī, ļaujot kosmosa kuģim manevrēt, kad tas skāra Marsa atmosfēru, mērķējot uz noteiktu nosēšanās zonu.
Apmēram 131 kilometru augstumā kosmosa kuģis sāka šaut virzuļus, lai perfekti pielāgotu trajektoriju, tuvojoties Marsa virsmai.
Apmēram 80 sekundes ilga atmosfēras lidojuma laikā gaisa temperatūra uz vairoga pieauga līdz 2100 grādiem pēc Celsija. Lai nesakausētu, karstuma vairogā tika izmantots īpašs materiāls, ko sauc par fenola impregnētu oglekļa ablatoru jeb PICA. Starp citu, to pašu materiālu SpaceX izmanto savām Dragon Capsules.
Kad tas bija palēninājis ātrumu līdz zemākam par Mach 2,2, kosmosa kuģis izvietoja lielāko izpletni, kāds jebkad uzbūvēts misijai uz Marsu - 16 metrus pāri. Šis izpletnis varētu radīt 29 000 kilogramus vilkšanas spēka, vēl vairāk to palēninot.
Piekares līnijas tika izgatavotas no Technora un Kevlar, kas ir diezgan spēcīgi un karstumizturīgi materiāli, par kuriem mēs zinām.
Tad tas iznīcināja izpletni un izmantoja raķešu dzinējus, lai vēl vairāk palēninātu tā nolaišanos. Kad tas bija pietiekami tuvu, Curiosity izvietoja skycrane, kas uzmanīgi nolaida braucamrīku uz leju līdz virsmai.
Šī ir ātrā versija. Ja vēlaties plašu pārskatu par to, ko Curiosity piedzīvoja, nolaižoties uz Marsa, es ļoti iesakām jums apskatīt Emīlijas Lakdavallas grāmatu “Curiosity Design and Engineering”.
Ziņkārība svēra tikai vienu tonnu.
Going Heavier nav mēroga
Vai vēlaties darīt to pašu ar smagākām kravām? Es esmu pārliecināts, ka jūs iedomājaties lielākus aeroshellus, lielākus izpletņus, lielākus skycranes.
Teorētiski SpaceX Starship nosūtīs 100 tonnas kolonistu un viņu lietas uz Marsa virsmu.
Šeit ir problēma. Palēnināšanas metodes Marsa atmosfērā nav pārāk lielas.
Pirmkārt, sāksim ar izpletņiem. Godīgi sakot, 1 tonna Curiosity ir tikpat smaga, cik jūs varat nokļūt, izmantojot izpletni. Jebkurš smagāks un vienkārši nav tādu materiālu inženieru, kas varētu izmantot palēninājuma slodzi.
Pirms pāris mēnešiem NASA inženieri svinēja veiksmīgu uzlabotā virsskaņas izpletņu inflācijas pētījumu eksperimenta jeb ASPIRE pārbaudi. Šis ir izpletnis, kas tiks izmantots Mars 2020 rover misijai.
Viņi nolika izpletni, kas izgatavots no moderniem kompozītmateriāla audumiem, piemēram, neilona, Technora un Kevlar, uz skanējošās raķetes un palaida to 37 kilometru augstumā, imitējot apstākļus, kādus kosmosa kuģis piedzīvos, nonākot Marsā.
Izpletnis, kas izlikts sekundes laikā un pilnībā piepūsts, piedzīvoja 32 000 kilogramu lielu spēku. Ja jūs tajā laikā atrastos uz kuģa, jūs pieredzētu 3,6 reizes vairāk spēka nekā ietriecoties sienā, kas iet 100 km / h, valkājot drošības jostu. Citiem vārdiem sakot, jūs neizdzīvotu.
Ja kosmosa kuģis būtu kāds smagāks, tam būtu jābūt izgatavotam no neiespējamiem kompozītmateriāliem. Un aizmirst par pasažieriem.
NASA ir izmēģinājusi dažādas idejas, kā no Marsa izkraut smagākas kravas, piemēram, pat 3 tonnas.
Vienu ideju sauc par zema blīvuma virsskaņas paātrinātāju jeb LDSD. Ideja ir izmantot daudz lielāku aerodinamisko palēninātāju, kas piepūstos ap kosmosa kuģi kā piepeša pils, kad tas nonāk Marsa gravitācijas stāvoklī.
2015. gadā NASA faktiski pārbaudīja šo tehnoloģiju, pārvadājot transportlīdzekļa prototipu uz balona 36 kilometru augstumā. Pēc tam transportlīdzeklis izšāva savu cieto raķeti, nogādājot to 55 kilometru augstumā.
Raķetes virzienā uz augšu tas piepūsa virsskaņas piepūšamo aerodinamisko paātrinātāju līdz 6 metru (vai 20 pēdu) diametram, kas pēc tam to palēnināja līdz 2.4 Mach. Diemžēl tā izpletni neizdevās pareizi izvietot, tāpēc tas ietriecās Klusajā okeānā.
Tas ir progress. Ja viņi patiešām var izstrādāt inženierzinātnes un fiziku, mēs kādreiz varētu redzēt 3 tonnu kosmosa kuģi nolaidamies uz Marsa virsmas. Trīs veselas tonnas.
Vairāk vilces, mazāk kravas
Nākamā ideja, kā palielināt Marsa nosēšanos, ir izmantot lielāku piedziņu. Teorētiski jūs varat vienkārši pārvadāt vairāk degvielas, ierodoties raķetēs, ierodoties Marsā, un atcelt visu šo ātrumu. Problēma, protams, ir tā, ka jo vairāk masas jums jāpārnes, lai palēninātos, jo mazāk masas jūs faktiski varēsit nolaisties uz Marsa virsmas.
Paredzams, ka SpaceX Starship izmantos dzinēju nolaišanos, lai nokļūtu 100 tonnas līdz Marsa virsmai. Tā kā tas ved pa tiešāku un ātrāku ceļu, Starship sasniegs Marsa atmosfēru ātrāk nekā 8,5 km / s un pēc tam izmantos aerodinamiskos spēkus, lai palēninātu tā ienākšanu.
Protams, tam nav jāiet tik ātri. Starship varēja izmantot aerobraking, vairākas reizes izlaižot atmosfēras augšējo daļu, lai atbrīvotu ātrumu. Faktiski šī ir metode, kuru izmanto orbitāli kosmosa kuģi, kas dodas uz Marsu.
Bet tad pasažieriem uz kuģa vajadzēs pavadīt nedēļas, lai kosmosa kuģis varētu palēnināties un nokļūt orbītā ap Marsu, un pēc tam nolaisties atmosfērā.
Pēc Elona Muska teiktā, viņa aizraujoši neizdevīgā stratēģija, kā rīkoties ar visu karstumu, ir būvēt kosmosa kuģi no nerūsējošā tērauda, un pēc tam sīki caurumi apvalkā izvadīs metāna degvielu, lai saglabātu vēsumu kosmosa kuģa pretējā pusē.
Tiklīdz tas nogaidīs pietiekamu ātrumu, tas pagriezīsies, aizdegs savus Raptor dzinējus un maigi nolaidīsies uz Marsa virsmas.
Mērķis uz zemes, pacelieties pēdējā brīdī
Katrs degvielas kilograms, ko kosmosa kuģis izmanto, lai palēninātu tā nolaišanos līdz Marsa virsmai, ir kilograms kravas, kuru tas nevar pārvadāt uz virsmu.
Es neesmu pārliecināts, ka ir kāda īstenojama stratēģija, kas viegli nokraus smagas kravas uz Marsa virsmas. Gudrāki cilvēki nekā es domāju, ka tas ir gandrīz neiespējami, neizmantojot milzīgu daudzumu propelenta.
Tomēr Elons Musks domā, ka ir kāds veids. Un pirms mēs atlaidām viņa idejas, noskatīsimies, kā lieliski darbojas raķešu zemes Falcon Heavy pastiprinātāji kopā.
Un nepievērsiet uzmanību tam, kas notika ar centrālo pastiprinātāju.
Jauns Ilinoisas Universitātes Aviācijas un kosmosa nodaļas pētījums Urbana-Champaign ierosina, ka misijās uz Marsu varētu izmantot biezāku atmosfēru, kas ir tuvāk Marsa virsmai.
Savā dokumentā ar nosaukumu “Iebraukšanas trajektorijas iespējas augstiem ballistiskiem koeficientiem uz Marsa” pētnieki ierosina, ka kosmosa kuģiem, kas lido uz Marsu, nav tik steidzami jāatslogojas no viņu ātruma.
Tā kā kosmosa kuģis kliedz pa atmosfēru, tas joprojām spēs radīt daudz aerodinamisku pacēlumu, ko varētu izmantot, lai to vadītu caur atmosfēru.
Viņi veica aprēķinus un secināja, ka ideālais leņķis ir tikai norādīt kosmosa kuģi taisni uz leju un ienirt virsmas virzienā. Pēc tam pēdējā iespējamajā brīdī, izmantojot aerodinamisko pacēlāju, velciet uz augšu caur atmosfēras biezāko daļu.
Tas palielina vilkmi un ļauj atbrīvoties no vislielākā ātruma, pirms ieslēdzat nolaišanās motorus un pabeidzat nobraukšanu ar motoru.
Tas izklausās, um, jautri.
Ja cilvēce gatavojas veidot dzīvotspējīgu nākotni uz Marsa virsmas, mums šī problēma būs jārisina. Mums būs jāizstrādā virkne tehnoloģiju un paņēmienu, kas padara nolaišanos uz Marsa uzticamāku un drošāku.
Man šķiet, ka tas būs daudz izaicinošāks, nekā cilvēki sagaida, taču es ļoti gaidu idejas, kuras tiks pārbaudītas nākamajos gados.
Liels paldies Nensijai Atkinsonai, kura apskatīja šo tēmu šeit vietnē Space Magazine vairāk nekā pirms desmit gadiem, un iedvesmoja mani strādāt pie šī video.
