Жаль, что Марс такой интересный город, потому что на самом деле это одно из самых сложных мест для посещения в Солнечной системе, особенно если вы хотите взять с собой много багажа. Эта планета - кладбище миссий, которые не вполне справились с этой задачей.
Поскольку наши амбиции растут, и мы думаем об исследовании Марса с людьми - возможно, даже будущими колонистами - нам нужно будет решить одну из самых больших проблем в освоении космоса.
Успешно посадить тяжелые полезные грузы на поверхность Марса действительно очень сложно.
У Марса есть множество проблем, в том числе отсутствие защитной магнитосферы и пониженная гравитация поверхности. Но одним из самых больших является его тонкая атмосфера углекислого газа.
Если бы вы стояли на поверхности Марса без скафандра, вы бы замерзли до смерти и задохнулись от недостатка кислорода. Но вы также испытали бы менее 1% атмосферного давления, которое вы испытываете здесь, на Земле.
И, оказывается, из-за этой тонкой атмосферы невероятно сложно безопасно доставить значительные полезные грузы на поверхность Красной планеты. Фактически, только 53% миссий на Марс действительно сработали должным образом.
Итак, давайте поговорим о том, как миссии на Марс работали в прошлом, и я покажу вам, в чем проблема.
Приземление на Марс - худшее
Исторически, миссии на Марс запускаются с Земли во время летных окон, которые открываются каждые два года или около того, когда Земля и Марс находятся ближе друг к другу. ExoMars летали в 2016 году, InSight в 2018 году, а марсоход Mars 2020 - в 2020 году.
Миссии следуют по межпланетной траектории, предназначенной для того, чтобы добраться туда быстрее или с наименьшим количеством топлива.
Когда космический корабль входит в атмосферу Марса, он идет десятки тысяч километров в час. Он должен каким-то образом потерять всю эту скорость, прежде чем мягко приземлиться на поверхность Красной планеты.
Здесь, на Земле, вы можете использовать плотную атмосферу Земли, чтобы замедлить спуск, отбирая скорость с помощью теплового щита. Плитка космического челнока была спроектирована так, чтобы поглощать тепло при возвращении, так как 77-тонный орбитальный аппарат разгонялся с 28 000 км / ч до нуля.
Подобную технику можно использовать на Венере или Титане, где они имеют плотную атмосферу.
Луна без какой-либо атмосферы относительно проста, чтобы приземлиться также. Без какой-либо атмосферы нет необходимости в тепловом щите, вы просто используете движитель, чтобы замедлить вашу орбиту и приземлиться на поверхность. Пока вы приносите достаточно топлива, вы можете придерживаться посадки.
Назад на Марс, с космическим кораблем, летящим в его тонкую атмосферу со скоростью более 20 000 километров в час.
Любопытство это предел
Традиционно миссии начинали свой спуск с аэродинамической оболочки, чтобы убрать часть скорости космического корабля. Самая тяжелая миссия, когда-либо отправленная на Марс, была «Любопытство», которая весила 1 метрическую тонну, или 2200 фунтов.
Когда он вошел в атмосферу Марса, он шел со скоростью 5,9 километра в секунду или 22 000 километров в час.
Из любопытства была получена самая большая из когда-либо отправленных на Марс аэроснаряда размером 4,5 метра. Эта огромная воздушная оболочка была наклонена под углом, позволяя космическому кораблю маневрировать, когда он попадает в тонкую атмосферу Марса, стремясь к определенной зоне посадки.
На высоте около 131 километра космический корабль начнет запускать двигатели, чтобы идеально отрегулировать траекторию при приближении к поверхности Марса.
Около 80 секунд полета в атмосфере температура на тепловом щите поднялась до 2100 градусов по Цельсию. Чтобы не таять, теплозащитный экран использовал специальный материал под названием Phenolic Impregnated Carbon Ablator, или PICA. Кстати, тот же самый материал, который SpaceX использует для своих Dragon Capsules.
Как только он замедлил скорость до уровня ниже Маха 2.2, космический корабль развернул самый большой из когда-либо созданных парашютов для полета на Марс - 16 метров в поперечнике. Этот парашют может генерировать 29 000 килограммов силы сопротивления, замедляя его еще больше.
Линии подвески были изготовлены из Technora и Kevlar, которые в значительной степени являются самыми прочными и термостойкими материалами, которые мы знаем.
Затем он сбросил свой парашют и использовал ракетные двигатели, чтобы еще больше замедлить спуск. Когда это было достаточно близко, Curiosity развернул небесный кран, который мягко опустил ровер на поверхность.
Это быстрая версия. Если вы хотите получить исчерпывающий обзор того, что Curiosity пережил, приземлившись на Марс, я настоятельно рекомендую вам ознакомиться с «Эмили Лакдаваллой» «Дизайн и проектирование любопытства».
Любопытство весило только одну тонну.
Тяжелая работа не в масштабе
Хотите сделать то же самое с более тяжелыми грузами? Я уверен, что вы представляете себе большие аэрошели, большие парашюты, большие небесные краны.
Теоретически космический корабль SpaceX отправит 100 тонн колонистов и их вещей на поверхность Марса.
Здесь проблема. Методы замедления в марсианской атмосфере не очень хорошо развиваются.
Во-первых, давайте начнем с парашютов. Честно говоря, на 1 тонну Curiosity примерно настолько же тяжел, насколько вы можете получить с помощью парашюта. Более тяжелые и просто не могут использовать инженеры по материалам, способные справиться с тормозной нагрузкой.
Пару месяцев назад инженеры НАСА отпраздновали успешное испытание Расширенного эксперимента по исследованию сверхзвуковой парашютной инфляции, или ASPIRE. Это парашют, который будет использоваться для миссии марсохода «Марс 2020».
Они поместили парашют, изготовленный из современных композитных тканей, таких как нейлон, Технора и Кевлар, на звучащую ракету и запустили его на высоту 37 километров, имитируя условия, в которых будет находиться космический корабль при его прибытии на Марс.
Парашют, развернутый за долю секунды и полностью раздутый, испытал 32 000 килограммов силы. Если бы вы были на борту в то время, вы бы испытали в 3,6 раза больше силы, чем врезались бы в стену со скоростью 100 км / ч при ношении ремня безопасности. Другими словами, вы бы не выжили.
Если бы космический корабль был тяжелее, его нужно было бы изготовить из невозможных композитных тканей. И забудьте о пассажирах.
НАСА пробует разные идеи, чтобы посадить на Марсе более тяжелые грузы, например, целых 3 тонны.
Одна идея называется сверхзвуковым замедлителем низкой плотности, или LDSD. Идея состоит в том, чтобы использовать гораздо больший аэродинамический замедлитель, который надувается вокруг космического корабля, как надувной замок, когда он входит в марсианскую гравитацию.
В 2015 году НАСА фактически проверило эту технологию, перевозя прототип на воздушном шаре на высоте 36 километров. Затем машина выпустила свою твердую ракету, подняв ее на высоту 55 километров.
По мере взлета вверх он надувал сверхзвуковой надувной аэродинамический замедлитель до диаметра 6 метров (или 20 футов), что затем замедляло его до Маха 2.4. К сожалению, его парашют не смог правильно развернуться, поэтому он упал в Тихий океан.
Это прогресс. Если они действительно смогут отработать инженерные и физические решения, мы когда-нибудь увидим приземление 3-тонного космического корабля на поверхность Марса. Три целых тонны.
Больше тяги, меньше груза
Следующая идея увеличить масштаб посадки на Марс - использовать больше движителей. Теоретически, вы можете просто нести больше топлива, запускать ракеты, когда вы прибудете на Марс, и отменить всю эту скорость. Проблема, конечно, заключается в том, что чем больше массы вы должны нести для замедления, тем меньше массы вы можете фактически приземлиться на поверхность Марса.
Ожидается, что космический корабль SpaceX будет использовать движущуюся посадку, чтобы доставить 100 тонн на поверхность Марса. Поскольку он идет по более прямому и более быстрому пути, звездолет попадет в марсианскую атмосферу быстрее, чем 8,5 км / с, а затем использует аэродинамические силы, чтобы замедлить его вход.
Конечно, не нужно идти так быстро. Звездолет мог использовать аэробрейкинг, проходя через верхние слои атмосферы несколько раз, чтобы сбросить скорость. Фактически, это метод, который используют орбитальные космические корабли, идущие на Марс.
Но тогда пассажирам на борту потребуется несколько недель, чтобы космический корабль замедлился и вышел на орбиту вокруг Марса, а затем спустился в атмосферу.
Согласно Элону Маску, его восхитительно не интуитивно понятная стратегия обработки всего этого тепла состоит в том, чтобы построить космический корабль из нержавеющей стали, и тогда крошечные отверстия в корпусе будут выпускать метановое топливо, чтобы сохранить наветренную сторону космического корабля прохладной.
Как только он потеряет достаточную скорость, он развернется, запустит свои двигатели Raptor и мягко приземлится на поверхность Марса.
Стремитесь к земле, потяните в последнюю минуту
Каждый килограмм топлива, который космический корабль использует для замедления спуска на поверхность Марса, - это килограмм груза, который он не может нести на поверхность.
Я не уверен, что существует какая-либо жизнеспособная стратегия, которая легко доставит тяжелые грузы на поверхность Марса. Более умные люди, чем я, думают, что это практически невозможно без использования огромного количества топлива.
Тем не менее, Элон Маск думает, что есть выход. И прежде чем мы сбрасываем со счетов его идеи, давайте посмотрим, как двухсторонние ускорители с ракеты Falcon Heavy совершат совместную посадку.
И не обращайте внимания на то, что случилось с центральным усилителем.
Новое исследование, проведенное на аэрокосмическом факультете Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, предполагает, что миссии на Марс могут использовать преимущества более плотной атмосферы, которая находится ближе к поверхности Марса.
В своей статье «Варианты траектории входа для транспортных средств с высоким баллистическим коэффициентом на Марсе» исследователи предполагают, что космическим кораблям, летящим на Марс, не нужно так спешить, чтобы избавиться от своей скорости.
Поскольку космический корабль пронзает атмосферу, он все равно сможет генерировать большой аэродинамический подъем, который можно использовать для управления им через атмосферу.
Они провели расчеты и обнаружили, что идеальный угол - просто направить космический корабль вниз и нырнуть к поверхности. Затем, в последний возможный момент, поднимитесь, используя аэродинамический подъемник, чтобы лететь вбок через самую толстую часть атмосферы.
Это увеличивает сопротивление и позволяет вам избавиться от большей скорости перед тем, как включить двигатели спуска и завершить вынужденную посадку.
Звучит весело.
Если человечество собирается построить жизнеспособное будущее на поверхности Марса, нам нужно будет решить эту проблему. Нам нужно будет разработать серию технологий и техник, которые сделают посадку на Марс более надежной и безопасной.
Я подозреваю, что это будет намного сложнее, чем ожидают люди, но я с нетерпением жду идей, которые будут проверены в ближайшие годы.
Большое спасибо Нэнси Аткинсон, которая освещал эту тему здесь на Space Magazine более десяти лет назад, и вдохновил меня на работу над этим видео.
