On liian huonoa Marsia on niin mielenkiintoinen paikka, koska se on itse asiassa yksi vaikeimmista käyntikohdista aurinkokunnassa, varsinkin jos haluat tuoda mukanaan paljon matkalaukkuja. Tuo planeetta on hautausmaa tehtävistä, jotka eivät tienneet siitä.
Kun tavoitteemme kasvavat ja ajattelemme tutkia Marsia ihmisten kanssa - ehkä jopa tulevien siirtomaalaisten kanssa -, meidän on ratkaistava yksi avaruuden tutkimuksen suurimmista ongelmista.
Raskaiden hyötykuormien onnistunut laskeminen Marsin pinnalle on todella vaikeaa.
Marsilla on joukko haasteita, mukaan lukien sen suojaavan magnetosfäärin puute ja alemman pinnan painovoima. Mutta yksi suurimmista on sen ohut ilmakehä hiilidioksidia.
Jos seisoisit Marsin pinnalla ilman avaruuspukua, jäätyisit kuolemaan ja asfyksiit happea puutteesta. Mutta sinulla on ollut myös alle 1% ilmakehän paineesta, jonka nautit täällä maan päällä.
Ja osoittautuu, että tämä ohut ilmapiiri tekee uskomattoman haastavaksi saada merkittävät hyötykuormat turvallisesti Punaisen planeetan pintaan. Itse asiassa vain 53% Marsiin tehtävistä matkoista on todella toiminut oikein.
Joten puhutaan siitä, kuinka virkamatkat Marsiin ovat toimineet aiemmin, ja minä näytän sinulle, mikä on ongelma.
Lasku Marsille on pahin
Historiallisesti Marsiin tehtävät matkat käynnistetään maapallolta lentoikkunoiden aikana, jotka avautuvat joka toinen vuosi, kun maa ja Mars ovat lähempänä toisiaan. ExoMars lensi vuonna 2016, InSight vuonna 2018 ja Mars 2020 -rover lensi vuonna 2020.
Tehtävät seuraavat planeettojenvälistä siirtorataa, joka on suunniteltu joko pääsemään sinne nopeimmin tai vähiten polttoaineella.
Avaruusaluksen saapuessa Marsin ilmakehään se kulkee kymmeniä tuhansia kilometrejä tunnissa. Sen on jotenkin menettävä kaikki tämä nopeus ennen laskeutumista kevyesti Punaisen planeetan pinnalle.
Täällä maan päällä voit käyttää paksua maapallon ilmakehää hidastaaksesi laskeutumistasi, vedenpitämällä nopeutesi lämmönvaihdolla. Avaruussukkulan laatat suunniteltiin absorboimaan paluuseen tuleva lämpö, kun 77 tonnin kiertorata nousi nopeudesta 28 000 km / h nollaan.
Samanlaista tekniikkaa voitaisiin käyttää Venuksessa tai Titanissa, joissa niiden ilmapiiri on paksu.
Kuu, ilman mitään ilmapiiriä, on myös suhteellisen suoraviivainen laskeutua. Ilman mitään ilmapiiriä ei tarvita lämpösuojaa, käytät vain työntövoimaa hidastamaan kiertoradallasi ja laskeutua pinnalle. Niin kauan kuin tuot tarpeeksi ponneainetta, voit kiinnittää laskun.
Takaisin Marsiin avaruusaluksen ollessa ohuessa ilmakehässä nopeudella yli 20 000 km tunnissa.
Uteliaisuus on raja
Perinteisesti virkamatkat ovat aloittaneet laskeutumisensa aerosellillä poistaakseen osan avaruusaluksen nopeudesta. Syvin Marsiin koskaan lähettämä operaatio oli Curiosity, jonka paino oli 1 tonni eli 2200 puntaa.
Kun se saapui marsilaiseen ilmakehään, se kulki 5,9 km sekunnissa tai 22 000 km tunnissa.
Curiositylla oli kaikkien aikojen suurin Marsiin lähettämä aeroshell, mitta oli 4,5 metriä. Tämä valtava aeroshell oli kallistettu kulmaan, jolloin avaruusalus pystyi liikkumaan, kun se osuu Marsin ohueen ilmakehään ja pyrkii tiettyyn laskuvyöhykkeeseen.
Noin 131 kilometrin korkeudessa avaruusalus aloittaisi potkureiden ampumisen potentiaalin säätämiseksi täydellisesti lähestyessäsi Marsin pintaa.
Noin 80 sekunnin lennon aikana ilmakehän lämpötila lämpösuojassa nousi 2100 asteeseen. Sulamattomuuden vuoksi lämpökilpessä käytettiin erityistä materiaalia, nimeltään fenoli-kyllästetty hiilen ablaattori tai PICA. Samaa materiaalia SpaceX käyttää muuten Dragon Capsules -laitteilleen.
Kun avaruusalus oli hidastanut nopeuttaan alempana kuin Mach 2.2, se käytti suurin laskuvarjo, joka on koskaan rakennettu Marsiin tehtävää varten - 16 metriä poikki. Tämä laskuvarjo voisi tuottaa 29 000 kiloa vetämisvoimaa, hidastaen sitä vielä enemmän.
Ripustuslinjat tehtiin Technorasta ja Kevlarista, jotka ovat melkein vahvimpia ja kuumuutta kestäviä materiaaleja, joista tiedämme.
Sitten se räjähti laskuvarjolla ja käytti rakettimoottoreita hidastamaan laskeutumistaan vielä enemmän. Kun se oli tarpeeksi lähellä, Curiosity lähetti taivaanosturin, joka laski roveria varovasti alas pinnalle.
Tämä on nopea versio. Jos haluat laajan yleiskuvan siitä, mitä Curiosity meni laskeutumisen Marsille, suosittelen, että tutustu Emily Lakdawallan ”Curiosityn suunnittelu ja suunnittelu” -teoseseen.
Uteliaisuus painoi vain yhden tonnin.
Going Heavier ei ole mittakaavassa
Haluatko tehdä saman raskaampien hyötykuormien kanssa? Olen varma, että kuvittelet isompia lentokoneita, isompia laskuvarjoja, isompia taivaannostureita.
Teoriassa SpaceX Starship lähettää 100 tonnia kolonisteja ja heidän tavaroitaan Marsin pinnalle.
Tässä on ongelma. Marsian ilmapiirissä hidastumismenetelmät eivät ole mittakaavassa.
Aloitetaan ensin laskuvarjoilla. Ollakseni rehellinen, 1 tonnilla Curiosity on suunnilleen yhtä raskas kuin laskuvarjolla. Mikä tahansa raskaampi eikä vain insinöörejä voi käyttää materiaaleja, jotka pystyisivät käsittelemään hidastuvuuskuormitusta.
Muutama kuukausi sitten NASA: n insinöörit juhlivat Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment (ASPIRE) -testin onnistunutta testiä. Tätä laskuvarjoa käytetään Mars 2020 -reittioperaatioon.
He asettivat edistyneistä komposiitti- kankaista, kuten nylonista, Technorasta ja Kevlarista valmistetun laskuvarjon, kuulostavaan rakettiin ja laskeutuivat sen 37 kilometrin korkeuteen jäljittelemällä olosuhteita, jotka avaruusalus kokee saapuessaan Marsiin.
Laskuvarjolla, joka oli sijoitettu sekunnin murto-osaan, ja se oli täynnä, koettiin 32 000 kiloa voimaa. Jos olisit aluksella tuolloin, koet 3,6 kertaa enemmän voimaa kuin törmäät seinään, joka kulkee 100 km / h turvavyötä käytettäessä. Toisin sanoen et selviäisi.
Jos avaruusalus olisi ollut painavampi, se olisi tehtävä mahdottomista komposiittikankaista. Ja unohda matkustajat.
NASA on kokeillut erilaisia ideoita raskaampien hyötykuormien laskemiseksi Marsille, jopa 3 tonnia.
Yksi idea on nimeltään Low-Density Supersonic Decelerator tai LDSD. Ajatuksena on käyttää paljon suurempaa aerodynaamista hidastinta, joka täyttyisi avaruusaluksen ympäri kuin pomppiva linna, kun se tulee Marsin painovoimaan.
Vuonna 2015 NASA todella testasi tätä tekniikkaa kuljettamalla prototyyppiajoneuvoa ilmapalloilla 36 kilometrin korkeuteen. Ajoneuvo ampui sitten kiinteän rakettinsa kantaen sen 55 kilometrin korkeuteen.
Rakettaneen ylöspäin, se paisutti yliäänikäänteisen puhallettavan aerodynaamisen hidastimen halkaisijaan 6 metriä (tai 20 jalkaa), joka sitten hidasti sitä takaisin alaspäin Machiin 2,4. Valitettavasti laskuvarjo ei pystynyt ottamaan asianmukaisesti käyttöön, joten se kaatui Tyynellemerelle.
Se on edistystä. Jos he todella pystyvät kehittämään tekniikkaa ja fysiikkaa, voimme jonain päivänä nähdä 3 tonnin avaruusaluksen laskeutuvan Marsin pinnalle. Kolme kokonaista tonnia.
Lisää työntövoimaa, vähemmän lastia
Seuraava idea Marsin laskun mittakaavan lisäämiseksi on käyttää enemmän työntövoimaa. Teoriassa voit vain kuljettaa enemmän polttoainetta, ampua rakettejasi saapuessasi Marsiin ja peruuttaa kaiken tämän nopeuden. Ongelmana on tietenkin, että mitä enemmän massaa täytyy kuljettaa hidastuessa, sitä vähemmän massaa voi tosiasiassa laskeutua Marsin pinnalle.
SpaceX Starshipin odotetaan käyttävän propulsiolaskua saadakseen 100 tonnia alas Marsin pintaan. Koska Starship kulkee suoremman ja nopeamman polun, se osuu Marsin ilmakehään nopeammin kuin 8,5 km / s ja käyttää sitten aerodynaamisia voimia hidastaakseen pääsyään.
Sen ei tietenkään tarvitse käydä niin nopeasti. Tähtialus voi käyttää aerobraking-tekniikkaa, joka kulkee ylemmän ilmakehän läpi useita kertoja nopeuden tyhjentämiseksi. Itse asiassa tämä on menetelmä, jota kiertoradalla oleva avaruusalus käyttää Marsiin.
Sitten aluksella olevien matkustajien pitäisi viettää viikkoja avaruusaluksen hidastaaksi ja mennä kiertoradalle Marsin ympärillä ja laskeutua sitten ilmakehän läpi.
Elon Muskin mukaan hänen ilahduttavan intuitiivisen strategiansa kaiken lämmön käsittelemiseksi on rakentaa avaruusalusta ruostumattomasta teräksestä, jolloin pienet kuoren reikät vuotavat metaanipolttoainetta pitämään avaruusaluksen tuulenpuoleista puolta.
Kun se on levinnyt riittävästi nopeutta, se kääntyy, ampuu Raptor-moottorinsa ja laskeutuu varovasti Marsin pinnalle.
Tavoittele maata, vedä ylös viime hetken kohdalla
Jokainen kilogramma polttoainetta, jota avaruusalus käyttää hidastaa laskeutumistaan Marsin pinnalle, on kilogramma lastia, jota se ei pysty kantamaan pintaan.
En ole varma siitä, onko olemassa mitään toteuttamiskelpoista strategiaa, joka purkaisi helposti raskaat hyötykuormat Marsin pinnalle. Minusta älykkäämmät ihmiset ajattelevat, että on melko mahdotonta ilman valtavia määriä ponneaineita.
Elon Muskin mielestä on tapa. Ja ennen kuin alennamme hänen ideoitaan, katsotaanpa Falcon Heavy -raketin kaksoispuolivahvistimia täydellisesti yhdessä.
Ja älä kiinnitä huomiota siihen, mitä tapahtui keskusvahvistimelle.
Uusi tutkimus Illinoisin yliopiston ilmailu- ja avaruusosastolta Urbana-Champaignissa ehdottaa, että Marsiin tehtävissä tehtävissä voitaisiin hyödyntää paksumpaa ilmapiiriä, joka on lähempänä Marsin pintaa.
Tutkimuksessaan, jonka otsikko on ”Maan korkean ballistisen kertoimen ajoneuvojen pääsypolun vaihtoehdot”, tutkijat ehdottavat, että Marsiin lentävien avaruusalusten ei tarvitse olla niin kiireisiä päästäkseen eroon nopeudesta.
Kun avaruusalus huutaa ilmakehän läpi, se pystyy silti tuottamaan paljon aerodynaamista hissiä, jota voidaan käyttää ohjaamaan sitä ilmakehän läpi.
He suorittivat laskelmat ja havaitsivat, että ihanteellinen kulma oli vain osoittaa avaruusalus suoraan alas ja sukeltaa kohti pintaa. Vedä sitten viimeisellä mahdollisella hetkellä ylöspäin käyttämällä aerodynaamista hissiä lentääksesi sivuttain ilmakehän paksuimman osan läpi.
Tämä lisää liikettä ja antaa sinun päästä eroon suurimmasta nopeudesta ennen kuin käynnistät laskeutumismoottorit ja suoritat moottoroidun laskun.
Se kuulostaa, hauska.
Jos ihmiskunta aikoo rakentaa elinkelpoisen tulevaisuuden Marsin pinnalle, meidän on purettava tämä ongelma. Meidän on kehitettävä sarja tekniikoita ja tekniikoita, jotka tekevät laskeutumisesta Marsille luotettavampia ja turvallisempia.
Uskon, että se tulee olemaan paljon haastavampaa kuin ihmiset odottavat, mutta odotan innolla ideoita, jotka testataan tulevina vuosina.
Suuri kiitos Nancy Atkinsonille, joka kattoi tämän aiheen täällä Space Space -lehdessä yli kymmenen vuotta sitten, ja innosti minua työskentelemään tämän videon parissa.
