Είναι πολύ άσχημος ο Άρης είναι ένα τόσο ενδιαφέρον μέρος, γιατί είναι στην πραγματικότητα ένα από τα πιο δύσκολα μέρη για επίσκεψη στο Ηλιακό Σύστημα, ειδικά αν θέλετε να φέρετε πολλές αποσκευές. Αυτός ο πλανήτης είναι ένα νεκροταφείο αποστολών που δεν τα κατάφερε.
Καθώς οι φιλοδοξίες μας μεγαλώνουν και σκεφτόμαστε να εξερευνήσουμε τον Άρη με ανθρώπους - ίσως ακόμη και μελλοντικούς αποίκους - θα πρέπει να λύσουμε ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα στην εξερεύνηση του διαστήματος.
Η επιτυχής προσγείωση μεγάλων ωφέλιμων φορτίων στην επιφάνεια του Άρη είναι πραγματικά πολύ δύσκολο να γίνει.
Υπάρχουν πολλές προκλήσεις με τον Άρη, συμπεριλαμβανομένης της έλλειψης προστατευτικής μαγνητόσφαιρας και χαμηλότερης επιφανειακής βαρύτητας. Αλλά ένα από τα μεγαλύτερα είναι η λεπτή ατμόσφαιρα διοξειδίου του άνθρακα.
Εάν στέκεστε στην επιφάνεια του Άρη χωρίς μια διαστημική στολή, θα παγώνατε μέχρι θανάτου και ασφυξία από την έλλειψη οξυγόνου. Αλλά θα έχετε επίσης λιγότερο από το 1% την ατμοσφαιρική πίεση που απολαμβάνετε εδώ στη Γη.
Και αποδεικνύεται, αυτή η λεπτή ατμόσφαιρα καθιστά απίστευτα δύσκολη την ασφαλή μεταφορά σημαντικών ωφέλιμων φορτίων στην επιφάνεια του Κόκκινου Πλανήτη. Στην πραγματικότητα, μόνο το 53% των αποστολών στον Άρη έχουν πραγματικά λειτουργήσει σωστά.
Ας μιλήσουμε λοιπόν για το πώς λειτούργησαν οι αποστολές στον Άρη στο παρελθόν και θα σας δείξω ποιο είναι το πρόβλημα.
Η προσγείωση στον Άρη είναι το χειρότερο
Ιστορικά, οι αποστολές στον Άρη ξεκινούν από τη Γη κατά τη διάρκεια των παραθύρων πτήσης που ανοίγουν κάθε δύο χρόνια περίπου όταν η Γη και ο Άρης βρίσκονται πιο κοντά. Η ExoMars πέταξε το 2016, το InSight το 2018 και το rover Mars 2020 θα πετάξει, το 2020.
Οι αποστολές ακολουθούν διαπλανητική τροχιά μεταφοράς που έχει σχεδιαστεί για να φτάσει εκεί το γρηγορότερο ή με τη λιγότερη ποσότητα καυσίμου.
Καθώς το διαστημικό σκάφος εισέρχεται στην ατμόσφαιρα του Άρη, πηγαίνει δεκάδες χιλιάδες χιλιόμετρα την ώρα. Πρέπει με κάποιο τρόπο να χάσει όλη αυτή την ταχύτητα πριν προσγειωθεί απαλά στην επιφάνεια του Κόκκινου Πλανήτη.
Εδώ στη Γη, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την παχιά γήινη ατμόσφαιρα για να επιβραδύνετε την κάθοδο σας, αφαιρώντας την ταχύτητά σας με μια θερμική ασπίδα. Τα πλακάκια του διαστημικού λεωφορείου σχεδιάστηκαν για να απορροφούν τη θερμότητα της επανεισόδου, καθώς ο τροχός των 77 τόνων πήγε από τα 28.000 km / h στο μηδέν.
Μια παρόμοια τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στην Αφροδίτη ή στον Τιτάνα, όπου έχουν παχιά ατμόσφαιρα.
Η Σελήνη, χωρίς καθόλου ατμόσφαιρα, είναι σχετικά απλή για να προσγειωθεί επίσης. Χωρίς καθόλου ατμόσφαιρα, δεν υπάρχει ανάγκη για θερμική ασπίδα, απλά χρησιμοποιείτε πρόωση για να επιβραδύνετε την τροχιά σας και να προσγειωθείτε στην επιφάνεια. Εφόσον φέρετε αρκετό προωθητικό, μπορείτε να κολλήσετε την προσγείωση.
Επιστροφή στον Άρη, με ένα διαστημικό σκάφος να μπαίνει στη λεπτή ατμόσφαιρά του σε περισσότερα από 20.000 χιλιόμετρα την ώρα.
Η περιέργεια είναι το όριο
Παραδοσιακά, οι αποστολές έχουν αρχίσει να κατεβαίνουν με αεροπλάνο για να αφαιρέσουν μέρος της ταχύτητας του διαστημικού σκάφους. Η βαρύτερη αποστολή που στάλθηκε ποτέ στον Άρη ήταν το Curiosity, το οποίο ζύγιζε σε 1 μετρικό τόνο ή 2.200 λίρες.
Όταν μπήκε στην αττική ατμόσφαιρα, πήγαινε 5,9 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο ή 22.000 χιλιόμετρα την ώρα.
Το Curiosity είχε το μεγαλύτερο αεροπλάνο που είχε σταλεί ποτέ στον Άρη, με διαστάσεις 4,5 μέτρων. Αυτό το τεράστιο αεροπλάνο γέρνει υπό γωνία, επιτρέποντας στο διαστημικό σκάφος να κάνει ελιγμούς καθώς χτυπά τη λεπτή ατμόσφαιρα του Άρη, στοχεύοντας σε μια συγκεκριμένη ζώνη προσγείωσης.
Σε υψόμετρο περίπου 131 χιλιομέτρων, το διαστημικό σκάφος θα άρχιζε να πυροβολεί προωθητές για να προσαρμόσει τέλεια την τροχιά καθώς πλησίαζε στην επιφάνεια του Άρη.
Περίπου 80 δευτερόλεπτα πτήσης μέσω ατμόσφαιρας, οι θερμοκρασίες στο θερμομονωτικό κάλυμμα αυξήθηκαν σε 2.100 βαθμούς Κελσίου. Για να μην λιώσει, η θερμική ασπίδα χρησιμοποίησε ένα ειδικό υλικό που ονομάζεται Phenolic Impregnated Carbon Ablator, ή PICA. Παρεμπιπτόντως, το ίδιο υλικό που χρησιμοποιεί το SpaceX για το Dragon Capsules.
Μόλις είχε επιβραδύνει την ταχύτητά του σε χαμηλότερη από το Mach 2,2, το διαστημικό σκάφος ανέπτυξε το μεγαλύτερο αλεξίπτωτο που κατασκευάστηκε ποτέ για αποστολή στον Άρη - 16 μέτρα απέναντι. Αυτό το αλεξίπτωτο θα μπορούσε να παράγει 29.000 κιλά δύναμης έλξης, επιβραδύνοντας ακόμη περισσότερο.
Οι γραμμές ανάρτησης ήταν κατασκευασμένες από Technora και Kevlar, τα οποία είναι σχεδόν τα ισχυρότερα και πιο ανθεκτικά στη θερμότητα υλικά που γνωρίζουμε.
Στη συνέχεια, μετέτρεψε το αλεξίπτωτο του και χρησιμοποίησε πυραυλοκινητήρες για να επιβραδύνει ακόμη περισσότερο την κάθοδο του. Όταν ήταν αρκετά κοντά, το Curiosity ανέπτυξε ένα skycrane που κατέβαλε το rover κάτω απαλά στην επιφάνεια.
Αυτή είναι η γρήγορη έκδοση. Αν θέλετε μια εκτενή επισκόπηση του τι περιέργως προσγειώθηκε στον Άρη, σας συνιστώ ανεπιφύλακτα να δείτε το «Ο Σχεδιασμός και η Μηχανική της Περιέργειας» της Emily Lakdawalla.
Η περιέργεια ζύγιζε μόνο έναν τόνο.
Πηγαίνοντας βαρύτερα δεν κλιμακώνεται
Θέλετε να κάνετε το ίδιο πράγμα με βαρύτερα ωφέλιμα φορτία; Είμαι σίγουρος ότι φαντάζεστε μεγαλύτερα αερολύματα, μεγαλύτερα αλεξίπτωτο, μεγαλύτερα skycranes.
Θεωρητικά, το SpaceX Starship θα στείλει 100 τόνους αποίκων και τα υλικά τους στην επιφάνεια του Άρη.
Εδώ είναι το πρόβλημα. Οι μέθοδοι επιβράδυνσης στην Αρειανή ατμόσφαιρα δεν αυξάνονται πολύ καλά.
Αρχικά, ας ξεκινήσουμε με αλεξίπτωτο. Για να είμαι ειλικρινής, με 1 τόνο, το Curiosity είναι τόσο βαρύ όσο μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα αλεξίπτωτο. Οποιοδήποτε βαρύτερο και απλώς δεν υπάρχουν υλικά που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι μηχανικοί που μπορούν να χειριστούν το φορτίο επιβράδυνσης.
Πριν από μερικούς μήνες, οι μηχανικοί της NASA γιόρτασαν την επιτυχημένη δοκιμή του Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment, ή ASPIRE. Αυτό είναι το αλεξίπτωτο που θα χρησιμοποιηθεί για την αποστολή Mars 2020.
Έβαλαν το αλεξίπτωτο κατασκευασμένο από προηγμένα σύνθετα υφάσματα, όπως νάιλον, Technora και Kevlar, σε έναν πυραύλο πυραύλων και το ξεκίνησαν σε υψόμετρο 37 χιλιομέτρων, μιμείται τις συνθήκες που θα βιώσει το διαστημικό σκάφος καθώς φτάνει στον Άρη.
Το αλεξίπτωτο που αναπτύχθηκε σε κλάσμα του δευτερολέπτου, και πλήρως διογκωμένο, βίωσε 32.000 κιλά δύναμης. Εάν βρισκόσασταν στο σκάφος εκείνη τη στιγμή, θα νιώθατε 3,6 φορές περισσότερη δύναμη από το να χτυπήσετε έναν τοίχο με ταχύτητα 100 km / h φορώντας τη ζώνη ασφαλείας σας. Με άλλα λόγια, δεν θα επιβιώνατε.
Εάν το διαστημικό σκάφος ήταν πιο βαρύ, θα πρέπει να είναι κατασκευασμένο από αδύνατα σύνθετα υφάσματα. Και ξεχάστε τους επιβάτες.
Η NASA έχει δοκιμάσει διαφορετικές ιδέες για να προσγειώσει βαρύτερα ωφέλιμα φορτία στον Άρη, όπως και 3 τόνους.
Μία ιδέα ονομάζεται χαμηλής πυκνότητας υπερηχητικός επιβραδυντής ή LDSD. Η ιδέα είναι να χρησιμοποιήσετε ένα πολύ μεγαλύτερο αεροδυναμικό επιβραδυντικό που θα φουσκώνει γύρω από το διαστημικό σκάφος σαν ένα κάστρο αναπήδησης καθώς εισέρχεται στη βαρύτητα του Άρη.
Το 2015, η NASA δοκίμασε πραγματικά αυτήν την τεχνολογία, μεταφέροντας ένα πρωτότυπο όχημα σε ένα μπαλόνι σε υψόμετρο 36 χιλιομέτρων. Στη συνέχεια, το όχημα έριξε τον συμπαγή πύραυλό του, μεταφέροντάς το σε υψόμετρο 55 χιλιομέτρων.
Καθώς εκτοξεύτηκε προς τα πάνω, διογκώθηκε το υπερηχητικό φουσκωτό αεροδυναμικό επιβραδυντικό του σε διάμετρο 6 μέτρων (ή 20 πόδια), το οποίο στη συνέχεια το επιβράδυνε πίσω στο Mach 2.4. Δυστυχώς, το αλεξίπτωτο του απέτυχε να αναπτυχθεί σωστά, οπότε συνετρίβη στον Ειρηνικό Ωκεανό.
Αυτή είναι η πρόοδος. Εάν μπορούν πραγματικά να επιλύσουν τη μηχανική και τη φυσική, θα μπορούσαμε κάποια μέρα να δούμε διαστημόπλοιο 3 τόνων να προσγειώνεται στην επιφάνεια του Άρη. Τρεις ολόκληροι τόνοι.
Περισσότερη πρόωση, λιγότερο φορτίο
Η επόμενη ιδέα για την αύξηση της προσγείωσης του Άρη είναι η χρήση περισσότερης πρόωσης. Θεωρητικά, μπορείτε να μεταφέρετε περισσότερο καύσιμο, να πυροβολήσετε τους ρουκέτες σας όταν φτάσετε στον Άρη και να ακυρώσετε όλη αυτή την ταχύτητα. Το πρόβλημα, φυσικά, είναι ότι όσο περισσότερη μάζα πρέπει να έχετε για επιβράδυνση, τόσο λιγότερη μάζα μπορείτε να προσγειώσετε στην επιφάνεια του Άρη.
Το SpaceX Starship αναμένεται να χρησιμοποιήσει μια προωθητική προσγείωση για να φτάσει τους 100 τόνους στην επιφάνεια του Άρη. Επειδή παίρνει ένα πιο άμεσο, πιο γρήγορο μονοπάτι, το Starship θα χτυπήσει την αττική ατμόσφαιρα γρηγορότερα από 8,5 km / s και στη συνέχεια θα χρησιμοποιήσει αεροδυναμικές δυνάμεις για να επιβραδύνει την είσοδό του.
Φυσικά, δεν χρειάζεται να πάει τόσο γρήγορα. Το Starship θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει αερόβια, περνώντας από την ανώτερη ατμόσφαιρα αρκετές φορές για να εκτοξεύσει την ταχύτητα. Στην πραγματικότητα, αυτή είναι η μέθοδος που χρησιμοποιεί το τροχιακό διαστημικό σκάφος που πηγαίνει στον Άρη.
Αλλά τότε οι επιβάτες θα πρέπει να περάσουν εβδομάδες για να επιβραδυνθεί το διαστημικό σκάφος και να περάσει σε τροχιά γύρω από τον Άρη και στη συνέχεια να κατέβει μέσα από την ατμόσφαιρα.
Σύμφωνα με τον Elon Musk, η ευχάριστα διαισθητική στρατηγική του για τον χειρισμό όλης αυτής της θερμότητας είναι η κατασκευή του διαστημικού σκάφους από ανοξείδωτο ατσάλι και, στη συνέχεια, μικροσκοπικές τρύπες στο κέλυφος θα εκκενώσουν το καύσιμο μεθανίου για να διατηρήσουν την άνετη πλευρά του διαστημικού σκάφους δροσερό.
Μόλις ρίξει αρκετή ταχύτητα, θα γυρίσει, θα πυροδοτήσει τους κινητήρες Raptor και θα προσγειωθεί απαλά στην επιφάνεια του Άρη.
Στόχος για το έδαφος, τραβήξτε προς τα επάνω την τελευταία στιγμή
Κάθε κιλό καυσίμου που χρησιμοποιεί το διαστημικό σκάφος για να επιβραδύνει την κάθοδο του στην επιφάνεια του Άρη είναι ένα κιλό φορτίου που δεν μπορεί να μεταφέρει στην επιφάνεια.
Δεν είμαι σίγουρος ότι υπάρχει κάποια βιώσιμη στρατηγική που θα προσγειώνει εύκολα βαρύ ωφέλιμο φορτίο στην επιφάνεια του Άρη. Πιο έξυπνοι άνθρωποι από εμένα πιστεύουν ότι είναι σχεδόν αδύνατο χωρίς τη χρήση τεράστιων ποσοτήτων προωθητικού.
Τούτου λεχθέντος, ο Elon Musk πιστεύει ότι υπάρχει τρόπος. Και πριν απορρίψουμε τις ιδέες του, ας παρακολουθήσουμε τους δύο πλευρικούς ενισχυτές από τη γη του πυραύλου Falcon Heavy.
Και μην προσέχετε τι συνέβη στον κεντρικό ενισχυτή.
Μια νέα μελέτη από το Τμήμα Αεροδιαστημικής στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στο Urbana-Champaign προτείνει ότι οι αποστολές στον Άρη θα μπορούσαν να επωφεληθούν από την παχύτερη ατμόσφαιρα που είναι πιο κοντά στην επιφάνεια του Άρη.
Στην εφημερίδα τους με τίτλο «Επιλογές εισόδου για οχήματα με υψηλό συντελεστή βαλλιστικών στον Άρη», οι ερευνητές προτείνουν ότι το διαστημικό σκάφος που πετά στον Άρη δεν χρειάζεται να βιαστεί για να απαλλαγεί από την ταχύτητά τους.
Καθώς το διαστημικό σκάφος ουρλιάζει μέσα από την ατμόσφαιρα, θα εξακολουθεί να είναι σε θέση να παράγει πολύ αεροδυναμικό ανελκυστήρα, το οποίο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να το οδηγήσει στην ατμόσφαιρα.
Έκανε τους υπολογισμούς και διαπίστωσαν ότι η ιδανική γωνία ήταν να στραφούν ακριβώς το διαστημικό σκάφος κατευθείαν προς τα κάτω και να βουτήξουν προς την επιφάνεια. Στη συνέχεια, την τελευταία δυνατή στιγμή, τραβήξτε προς τα πάνω χρησιμοποιώντας τον αεροδυναμικό ανελκυστήρα για να πετάξετε προς τα πλάγια στο πιο πυκνό μέρος της ατμόσφαιρας.
Αυτό αυξάνει την οπισθέλκουσα και σας επιτρέπει να απαλλαγείτε από το μεγαλύτερο μέρος της ταχύτητας πριν ενεργοποιήσετε τους κινητήρες καθόδου και ολοκληρώσετε την τροφοδοτούμενη προσγείωση.
Ακούγεται, διασκεδαστικό.
Εάν η ανθρωπότητα πρόκειται να οικοδομήσει ένα βιώσιμο μέλλον στην επιφάνεια του Άρη, θα πρέπει να ξεπεράσουμε αυτό το πρόβλημα. Θα χρειαστεί να αναπτύξουμε μια σειρά τεχνολογιών και τεχνικών που κάνουν την προσγείωση στον Άρη πιο αξιόπιστη και ασφαλή.
Υποψιάζομαι ότι θα είναι πολύ πιο δύσκολο από ό, τι περιμένουν οι άνθρωποι, αλλά ανυπομονώ για τις ιδέες που θα δοκιμαστούν τα επόμενα χρόνια.
Ένα μεγάλο ευχαριστώ στη Nancy Atkinson που κάλυψε αυτό το θέμα εδώ στο Space Magazine πριν από περισσότερο από μια δεκαετία και με ενέπνευσε να εργαστώ σε αυτό το βίντεο.
