Labai apgailestaujame, kad „Mars“ yra tokia įdomi vieta, nes ji iš tikrųjų yra viena sunkiausių vietų, kurią reikia aplankyti Saulės sistemoje, ypač jei norite atsinešti daug lagaminų. Ta planeta yra misijų kapavietė, kuri to nepadarė.
Augant mūsų ambicijoms ir galvojant apie Marso tyrinėjimą su žmonėmis - galbūt net būsimais kolonistais -, mums reikės išspręsti vieną didžiausių kosmoso tyrinėjimo problemų.
Sėkmingai iškrauti sunkiasvorius krovinius Marso paviršiuje yra tikrai sunku.
Su Marsu susiduriama su daugybe iššūkių, įskaitant apsauginės magnetosferos trūkumą ir mažesnį paviršiaus sunkumą. Tačiau vienas didžiausių yra plona anglies dioksido atmosfera.
Jei stovėtumėte ant Marso paviršiaus be kostiumo, galėtumėte sušalti iki mirties ir asfiksuoti dėl deguonies trūkumo. Bet jūs taip pat patiriate mažiau nei 1% atmosferos slėgio, kuris jums patinka Žemėje.
Ir, pasirodo, dėl šios plonos atmosferos nepaprastai sudėtinga saugiai pasiekti didelę naudingąją apkrovą iki Raudonosios planetos paviršiaus. Tiesą sakant, tik 53% misijų į Marsą vyko tinkamai.
Taigi, pakalbėkime apie tai, kaip praeityje dirbo misijos į Marsą, ir aš jums parodysiu, kokia yra problema.
Nusileidimas ant Marso yra blogiausias
Istoriškai misijos į Marsą buvo vykdomos iš Žemės per skrydžio langus, kurie atsidaro maždaug kas dvejus metus, kai Žemė ir Marsas yra arčiau. „ExoMars“ skrido 2016 m., „InSight“ - 2018 m., O „Mars 2020“ visureigis skris, gerai, 2020 m.
Misijos vykdomos pagal tarpplanetinę perdavimo trajektoriją, skirtą pasiekti kuo greičiau arba kuo mažiau degalų.
Erdvėlaiviui patenkant į Marso atmosferą, jis važiuoja dešimtis tūkstančių kilometrų per valandą. Prieš švelniai nusileisdamas ant Raudonosios planetos paviršiaus, jis turi kažkaip prarasti šį greitį.
Žemėje galite panaudoti tirštą Žemės atmosferą norėdami sulėtinti savo nusileidimą ir pašalindami greitį šilumos skydu. Kosminio šaudmens plytelės buvo suprojektuotos taip, kad sugertų pakartotinio atvykimo šilumą, nes 77 tonų orbitos greitis buvo nuo 28 000 km / h iki nulio.
Panaši technika galėtų būti naudojama Venera ar Titan, kur jų atmosfera yra stora.
Mėnulis, kuriame nėra jokios atmosferos, taip pat yra gana paprastas tūpti. Be jokios atmosferos, nereikia šiluminio skydo, tereikia naudoti variklį, kad sulėtintumėte savo orbitą ir nusileistumėte ant paviršiaus. Kol atsinešite pakankamai raketinio kuro, galite klijuoti tūpimą.
Atgal į Marsą, kai erdvėlaivis skriejo daugiau kaip 20 000 kilometrų per valandą greičiu.
Smalsumas yra riba
Tradiciškai misijos pradėjo savo nusileidimą aerozoliu, norėdamos pašalinti tam tikrą erdvėlaivio greitį. Sunkiausia kada nors į Marsą siunčiama misija buvo „Curiosity“, kurios svoris siekė 1 metrinę toną arba 2200 svarų.
Patekęs į Marso atmosferą, jis eidavo 5,9 kilometro per sekundę arba 22 000 kilometrų per valandą.
„Curiosity“ turėjo didžiausią visų laikų į Marsą nusiųstą aerozolą, kurio skersmuo buvo 4,5 metro. Šis didžiulis aerozolis buvo pakreiptas kampu, leisdamas erdvėlaiviui manevruoti, kai jis atsitrenkė į ploną Marso atmosferą, siekdamas konkrečios tūpimo zonos.
Maždaug 131 kilometro aukštyje erdvėlaivis pradėtų šaudyti į variklius, kad būtų kuo geriau pakoreguota trajektorija artėjant prie Marso paviršiaus.
Maždaug 80 sekundžių skrydžio per atmosferą temperatūra ant šilumos skydo pakilo iki 2100 laipsnių šilumos. Kad netirptų, šilumos skydas naudojo specialią medžiagą, vadinamą fenolio impregnuota anglies šalinimo priemone (PICA). Beje, tą pačią medžiagą „SpaceX“ naudoja savo „Dragon Capsules“.
Sumažėjęs greitį, kad jis būtų mažesnis nei 2,2 Macho, erdvėlaivis dislokavo didžiausią visų laikų parašiutą, pastatytą misijai į Marsą - 16 metrų. Šis parašiutas galėtų generuoti 29 000 kilogramų tempimo jėgą, dar labiau jį sulėtindamas.
Pakabos linijos buvo pagamintos iš „Technora“ ir „Kevlar“ - tai yra pačios stipriausios ir karščiui atspariausios medžiagos, kurias mes žinome.
Tada jis sunaikino savo parašiutą ir panaudojo raketų variklius, kad dar labiau sulėtintų jo nusileidimą. Kai jis buvo pakankamai arti, „Curiosity“ dislokavo dangų, kuris švelniai nuleido roverį žemyn į paviršių.
Tai greita versija. Jei norite išsamios apžvalgos apie tai, ką „Curiosity“ išgyveno nusileidęs ant Marso, labai rekomenduoju perskaityti Emily Lakdawalla „Smalsumo dizainas ir inžinerija“.
Smalsumas svėrė tik vieną toną.
„Going Heavier“ nėra masto
Norite tą patį padaryti su sunkesnėmis apkrovomis? Esu tikras, kad įsivaizduojate didesnius aerozolius, didesnius parašiutus, didesnius dangų.
Teoriškai „SpaceX Starship“ nusiųs 100 tonų kolonistų ir jų daiktų į Marso paviršių.
Štai problema. Lėtėjimo metodai Marso atmosferoje nėra labai išplitę.
Pirmiausia pradėkime nuo parašiutų. Tiesą sakant, už 1 toną „Curiosity“ yra maždaug toks sunkus, kokį galite gauti naudodamiesi parašiutu. Bet kurios sunkesnės ir tiesiog nėra medžiagų, kurias inžinieriai galėtų naudoti lėtėjimo apkrovai.
Prieš porą mėnesių NASA inžinieriai atšventė sėkmingo pažengusio viršgarsinio parašiuto infliacijos tyrimo eksperimento arba ASPIRE bandymą. Tai yra parašiutas, kuris bus naudojamas „Mars 2020“ roverio misijai.
Jie padėjo parašiutą, pagamintą iš pažangių kompozicinių audinių, tokių kaip nailonas, „Technora“ ir „Kevlar“, į skambančią raketą ir paleido jį į 37 kilometrų aukštį, imituodami sąlygas, kurias patirs erdvėlaivis, atvykdamas į Marsą.
Parašiutas, paleistas per sekundės dalį ir visiškai pripūstas, patyrė 32 000 kilogramų jėgą. Jei tuo metu būtumėte laive, patirsite 3,6 karto daugiau jėgos, nei sudaužydami sieną, važiuojančią 100 km / h greičiu, saugos diržą. Kitaip tariant, jūs neišgyventumėte.
Jei erdvėlaivis buvo sunkesnis, jį reikės gaminti iš neįmanomų kompozicinių audinių. Ir pamiršk apie keleivius.
NASA išbandė įvairias idėjas, kaip iškrauti sunkesnius, net 3 tonų, krovinius į Marsą.
Viena idėja vadinama žemo tankio viršgarsiniu greitintuvu (LDSD). Idėja yra naudoti daug didesnį aerodinaminį lėtiklį, kuris aplink kosminį laivą pripūstų kaip atšokusi pilis, kai jis patenka į Marso gravitaciją.
2015 m. NASA iš tikrųjų išbandė šią technologiją, nešdama transporto priemonės prototipą ant baliono iki 36 kilometrų aukščio. Tuomet transporto priemonė apšaudė savo tvirtą raketą, nešdama ją į 55 kilometrų aukštį.
Pakildamas į viršų, jis išpūtė savo viršgarsinį pripučiamą aerodinaminį greitintuvą iki 6 metrų (arba 20 pėdų) skersmens, kuris vėliau jį sulėtino iki 2,4 Macho. Deja, jo parašiuto nepavyko tinkamai dislokuoti, todėl jis sudužo Ramiajame vandenyne.
Tai progresas. Jei jie iš tikrųjų galėtų sukurti inžineriją ir fiziką, kažkada galėtume pamatyti 3 tonų erdvėlaivį, nusileidiantį Marso paviršiuje. Trys visos tonos.
Daugiau varymo, mažiau krovinių
Kita idėja, kaip padidinti Marso nusileidimą, yra naudoti daugiau varymo. Teoriškai jūs galite tiesiog gabenti daugiau degalų, šaudyti savo raketas atvykę į Marsą ir panaikinti visą tą greitį. Problema, be abejo, yra ta, kad kuo daugiau masės turite nešti, kad lėtėtumėte, tuo mažiau masės galite iškrauti ant Marso paviršiaus.
Tikimasi, kad „SpaceX Starship“ nuskraidins 100 tonų iki Marso paviršiaus. Kadangi „Starship“ eina tiesesniu, greitesniu keliu, Marso atmosfera pasieks greičiau nei 8,5 km / s ir paskui panaudos aerodinamines jėgas, kad įvažiuotų lėčiau.
Žinoma, tai nebūtinai turi vykti greitai. „Starship“ galėjo naudoti aerobusų traukimą, kelis kartus praeidamas pro viršutinę atmosferą, kad pašalintų greitį. Tiesą sakant, tai yra metodas, kurį naudoja į Marsą skriejantys orbitiniai erdvėlaiviai.
Tuomet laive keleiviams reikės praleisti savaites, kol erdvėlaivis sulėtės ir skrieja į orbitą aplink Marsą, o tada nusileis per atmosferą.
Anot Elono Musko, jo nepaprastai intuityvi strategija, kaip tvarkyti visą tą šilumą, yra sukurti erdvėlaivį iš nerūdijančio plieno, o tada iš mažų skylių apvalkalo bus išmestas metano kuras, kad vėjo pusėje esanti erdvėlaivio pusė būtų vėsi.
Kai jis paryškins pakankamą greitį, jis pasisuks, uždegs savo „Raptor“ variklius ir švelniai nusileis ant Marso paviršiaus.
Siekite žemės, atsitraukite paskutinę minutę
Kiekvienas kilogramas degalų, kurį erdvėlaivis naudoja norėdamas sulėtinti nusileidimą prie Marso paviršiaus, yra kilogramas krovinių, kurių jis negali išnešti į paviršių.
Aš nesu įsitikinęs, kad yra kokia nors perspektyvi strategija, leidžianti lengvai iškrauti didelius krovinius ant Marso paviršiaus. Protingesni žmonės nei aš mano, kad beveik neįmanoma panaudoti milžiniškų svaidomųjų medžiagų.
Vis dėlto Elonas Muskas mano, kad yra kelias. Prieš pradėdami nuolaidą nuo jo idėjų, pažiūrėkime, kaip puikiai veikia raketų „Falcon Heavy“ stiprintuvai su dviem šonais.
Ir nekreipkite dėmesio į tai, kas nutiko centriniam stiprintuvui.
Ilinojaus universiteto Urbana-Champaign mieste atliktame naujame tyrime teigiama, kad misijos į Marsą galėtų pasinaudoti tirštesne atmosfera, esančia arčiau Marso paviršiaus.
Savo dokumente pavadinimu „Aukšto balistinio koeficiento transporto priemonių įvažiavimo trajektorijos parinktys į Marsą“ tyrėjai siūlo, kad į Marsą skraidantiems erdvėlaiviams nereikia taip skubėti, kad atsikratytų jų greičio.
Kadangi erdvėlaivis rėkia per atmosferą, jis vis tiek sugebės generuoti daug aerodinaminio pakėlimo, kurį būtų galima panaudoti valdyti jį per atmosferą.
Jie atliko skaičiavimus ir nustatė, kad idealiausias kampas buvo tiesiog nukreipti erdvėlaivį tiesiai žemyn ir pasinerti į paviršių. Tada paskutiniu įmanomu momentu aerodinaminiu keltuvu patraukite į šoną per storiausią atmosferos dalį.
Tai padidina pasipriešinimą ir leidžia atsikratyti kuo didesnio greičio, prieš įjungiant nusileidimo variklius ir užbaigiant variklinį nusileidimą.
Tai skamba, um, smagu.
Jei žmonija ketina sukurti perspektyvią ateitį Marso paviršiuje, mums reikės nugriauti šią problemą. Mums reikės sukurti daugybę technologijų ir metodų, kurie leidžia nusileisti ant Marso patikimiau ir saugiau.
Manau, kad tai bus daug sudėtingesnė, nei žmonės tikisi, tačiau laukiu idėjų, kurios bus išbandytos ateinančiais metais.
Didelis ačiū Nancy Atkinson, kuri apėmė šią temą čia daugiau nei prieš dešimtmetį „Space Magazine“ ir įkvėpė mane dirbti prie šio vaizdo įrašo.
