Den utrolige udfordring ved at lande tung nyttelast på Mars

Det er ærgerligt, at Mars er så interessant et sted, fordi det faktisk er et af de sværeste steder at besøge i solsystemet, især hvis du vil have en masse bagage med. Den planet er en kirkegård af missioner, der ikke helt klarede det.

Efterhånden som vores ambitioner vokser, og vi tænker på at udforske Mars med mennesker – måske endda fremtidige kolonister – vi bliver nødt til at løse et af de største problemer inden for rumudforskning:succesfuldt at lande tunge nyttelast på overfladen af ​​Mars er virkelig, virkelig svært at gøre.

Der er en masse udfordringer med Mars, inklusive dens mangel på en beskyttende magnetosfære og lavere overfladetyngdekraft. Men en af ​​de største er dens tynde atmosfære af kuldioxid. Hvis du stod på Mars' overflade uden en rumdragt, du ville fryse ihjel og kvæle af iltmangel. Men du vil også opleve mindre end 1 procent af det atmosfæriske tryk, du nyder godt af her på Jorden.

Og det viser sig, denne tynde atmosfære gør det utroligt udfordrende at få betydelig nyttelast sikkert ned til overfladen af ​​den røde planet. Faktisk, kun 53 procent af missionerne til Mars har faktisk fungeret ordentligt. Så lad os tale om, hvordan missioner til Mars har fungeret i fortiden, og jeg skal vise dig, hvad problemet er.

Landing på Mars er det værste

Historisk set, missioner til Mars opsendes fra Jorden under flyvevinduerne, der åbnes hvert andet år eller deromkring, når Jorden og Mars er tættere på hinanden. ExoMars fløj i 2016, InSight i 2018, og Mars 2020-roveren vil flyve ind, godt, 2020.

Missionerne følger en interplanetarisk overførselsbane designet til enten at komme dertil hurtigst, eller med den mindste mængde brændstof.

Når rumfartøjet kommer ind i Mars atmosfære, den kører titusindvis af kilometer i timen. På en eller anden måde, den skal miste al den hastighed, før den lander blidt på overfladen af ​​den røde planet.

Her på jorden, du kan bruge den tykke jordiske atmosfære til at bremse din nedstigning, blødning fra din hastighed med et varmeskjold. Rumfærgens fliser blev designet til at absorbere varmen fra genindtræden, da orbiteren på 77 tons gik fra 28, 000 km/t til nul.

En lignende teknik kunne bruges på Venus eller Titan, som har tyk atmosfære.

Månen, uden nogen atmosfære overhovedet, er forholdsvis ligetil at lande på, såvel. Uden nogen atmosfære, der er ikke behov for et varmeskjold; du bruger bare fremdrift til at bremse din bane og lande på overfladen. Så længe du medbringer nok drivmiddel, du kan holde reposen fast.

Tilbage til Mars, med et rumfartøj, der skynder sig ind i sin tynde atmosfære ved mere end 20, 000 kilometer i timen.

Nysgerrighed er grænsen

Traditionelt, missioner har startet deres nedstigning med en aeroskal for at fjerne noget af rumfartøjets hastighed. Den tungeste mission nogensinde sendt til Mars var Curiosity, som vejede 1 ton, eller 2, 200 pund.

Da den trådte ind i Mars atmosfære, den kørte 5,9 kilometer i sekundet, eller 22, 000 kilometer i timen.

Curiosity havde den største aeroskal nogensinde sendt til Mars, måler 4,5 meter på tværs. Denne enorme aeroshell blev vippet i en vinkel, lader rumfartøjet manøvrere, da det ramte Mars' tynde atmosfære, sigter mod en bestemt landingszone.

I omkring 131 kilometers højde, rumfartøjet ville begynde at affyre thrustere for at justere banen, da det nærmede sig Mars overflade.

Efter omkring 80 sekunders flyvning gennem atmosfæren, temperaturen på varmeskjoldet steg til 2, 100 grader Celsius. For at forhindre smeltning, varmeskjoldet var lavet af et specielt materiale kaldet fenolimprægneret kulstofablator, eller PICA, det samme materiale SpaceX bruger til sine Dragon Capsules.

Når den havde sænket sin hastighed til lavere end Mach 2,2, rumfartøjet indsatte den største faldskærm, der nogensinde er bygget til en mission til Mars - 16 meter på tværs. Denne faldskærm kunne generere 29, 000 kg trækkraft, bremse det endnu mere.

Ophængningslinjerne var lavet af Technora og Kevlar, som stort set er de stærkeste og mest varmebestandige materialer, vi kender til.

Derefter kastede den sin faldskærm og brugte raketmotorer til at bremse nedstigningen endnu mere. Da det var tæt nok på, Curiosity indsatte en skykran, der sænkede roveren forsigtigt ned til overfladen.

Dette er den hurtige version. Hvis du vil have et omfattende overblik over, hvad Curiosity gik gennem landing på Mars, Jeg anbefaler stærkt, at du tjekker Emily Lakdawalla's Nysgerrighedens design og teknik .

At blive tungere skalerer ikke

Vil du gøre det samme med tungere nyttelast? Jeg er sikker på, at du forestiller dig større aeroshells, større faldskærme, større skykraner. I teorien, SpaceX Starship vil sende 100 tons kolonister og deres ting til overfladen af ​​Mars.

Her er problemet. Metoderne til at decelerere i Mars-atmosfæren opskaleres ikke særlig godt.

Først, lad os starte med faldskærme. For at være ærlig, ved 1 ton, Nysgerrighed er omtrent så tung, som du kan blive ved at bruge en faldskærm. Noget tungere, og der er bare ikke nogen materialer, ingeniører kan bruge, der kan håndtere decelerationsbelastningen.

Et par måneder siden, NASA-ingeniører fejrede den vellykkede test af Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment, eller ASPIRE. Dette er faldskærmen, der skal bruges til Mars 2020 rovermissionen.

De satte faldskærmen lavet af avancerede kompositstoffer som nylon, Technora og Kevlar, op på en sonderende raket og affyrede den til en højde af 37 kilometer, efterligner de forhold rumfartøjet vil opleve, når det ankommer til Mars.

Faldskærmen udløste på en brøkdel af et sekund, og når den er helt oppustet, erfarne 32, 000 kg kraft. Hvis du var ombord på det tidspunkt, du vil opleve 3,6 gange så meget kraft som at køre ind i en væg i 100 km/t med sikkerhedsselen på. Med andre ord, du ville ikke overleve.

Hvis rumfartøjet var noget tungere, faldskærmen skulle være lavet af umulige kompositstoffer. Og glem alt om passagerer.

NASA har afprøvet ideer til at lande nyttelaster på op til 3 tons på Mars. En idé kaldes Low-Density Supersonic Decelerator, eller LDSD. Idéen er at bruge en meget større aerodynamisk decelerator, der vil pustes op omkring rumfartøjet som en hoppeborg, når det kommer ind i Mars-tyngdekraften.

I 2015 NASA testede faktisk denne teknologi, transportere et prototype køretøj på en ballon til en højde af 36 kilometer. Køretøjet affyrede derefter sin solide raket, transporterer den til en højde af 55 kilometer.

Mens det raket opad, den pustede sin Supersonic oppustelige aerodynamiske decelerator op til en diameter på seks meter (eller 20 fod), som derefter bremsede det tilbage til Mach 2.4. Desværre, dens faldskærm kunne ikke udløses korrekt, så den styrtede ned i Stillehavet.

Det er fremskridt. Hvis de rent faktisk kan udarbejde teknik og fysik, vi kunne en dag se tre tons rumfartøjer lande på overfladen af ​​Mars. Tre hele tons.

Mere fremdrift, Mindre last

Den næste idé til at opskalere en Mars-landing er at bruge mere fremdrift. I teorien, du kan bare bære mere brændstof, affyr dine raketter, når du ankommer til Mars, og annullere al den hastighed. Problemet, selvfølgelig, er, at jo mere masse du skal bære for at bremse, jo mindre masse kan du faktisk lande på Mars' overflade.

SpaceX Starship forventes at bruge en fremdrivende landing for at få 100 tons ned til Mars overflade. Fordi det tager en mere direkte, hurtigere vej, stjerneskibet vil ramme Mars-atmosfæren hurtigere end 8,5 km/s og derefter bruge aerodynamiske kræfter til at bremse dets indsejling.

Det behøver ikke at gå så hurtigt selvfølgelig. Rumskibet kunne bruge aerobremsning, passerer gennem den øvre atmosfære flere gange for at udtømme hastigheden. Faktisk, dette er den metode, som orbitale rumfartøjer, der skal til Mars, bruger.

Men så ville passagerer om bord skulle bruge uger for at rumfartøjet kunne bremse og gå i kredsløb om Mars, og derefter at gå ned gennem atmosfæren.

Ifølge Elon Musk, hans dejligt uintuitive strategi til at håndtere al den varme er at bygge rumfartøjet af rustfrit stål, og så vil små huller i skallen blæse metanbrændstof ud for at holde vindsiden af ​​rumfartøjet kølig.

Når den afgiver tilstrækkelig hastighed, det vil vende, affyr sine Raptor-motorer og lander blidt på overfladen af ​​Mars.

Sigt mod jorden, Træk op i sidste øjeblik

Hvert kilo brændstof, som rumfartøjet bruger til at bremse sin nedstigning til overfladen af ​​Mars, er et kilogram last, som det ikke kan transportere til overfladen. Jeg er ikke sikker på, at der er nogen holdbar strategi, der nemt vil lande tunge nyttelaster på overfladen af ​​Mars. Klogere mennesker end mig tror, ​​det er stort set umuligt uden at bruge enorme mængder drivmiddel.

Det sagt, Elon Musk tror, ​​der er en vej. Og før vi forkaster hans ideer, lad os se de dobbelte sideboostere fra Falcon Heavy-raketten lande perfekt sammen. Og vær ikke opmærksom på, hvad der skete med den centrale booster.

En ny undersøgelse fra Aerospace Department ved University of Illinois i Urbana-Champaign foreslår, at missioner til Mars kan drage fordel af den tykkere atmosfære, der er tættere på Mars' overflade.

I deres papir med titlen "Entry Trajectory Options for High Ballistic Coefficient Vehicles at Mars, "Forskerne foreslår, at rumfartøjer, der flyver til Mars, ikke behøver at have så travlt for at slippe af med deres hastighed.

Mens rumfartøjet skriger gennem atmosfæren, det vil stadig være i stand til at generere en masse aerodynamisk løft, som kunne bruges til at styre den gennem atmosfæren.

De kørte beregningerne og fandt ud af, at den ideelle vinkel var at pege rumfartøjet lige ned og dykke mod overfladen. Derefter, i det sidste mulige øjeblik, træk op ved hjælp af den aerodynamiske lift for at flyve sidelæns gennem den tykkeste del af atmosfæren.

Dette øger luftmodstanden og lader dig slippe af med den største mængde hastighed, før du tænder for dine nedstigningsmotorer og fuldfører din motordrevne landing.

Det lyder, øh, sjovt.

Hvis menneskeheden skal bygge en levedygtig fremtid på overfladen af ​​Mars, vi bliver nødt til at løse dette problem. Vi bliver nødt til at udvikle en række teknologier og teknikker, der gør landing på Mars mere pålidelig og sikker. Jeg formoder, at det bliver meget meget mere udfordrende, end folk forventer, men jeg ser frem til de ideer, der vil blive testet i de kommende år.