Jammer dat Mars zo'n interessante plek is, omdat het eigenlijk een van de moeilijkste plaatsen in het zonnestelsel is om te bezoeken, zeker als je veel bagage mee wilt nemen. Die planeet is een kerkhof van missies die het niet helemaal hebben gehaald.

Naarmate onze ambities groeien, en we denken na over het verkennen van Mars met mensen - misschien zelfs toekomstige kolonisten - we zullen een van de grootste problemen in de ruimteverkenning moeten oplossen:het succesvol landen van zware ladingen op het oppervlak van Mars is echt, echt moeilijk om te doen.

Er zijn een heleboel uitdagingen met Mars, inclusief het ontbreken van een beschermende magnetosfeer en lagere zwaartekracht. Maar een van de grootste is de dunne atmosfeer van koolstofdioxide. Als je op het oppervlak van Mars zou staan ​​zonder een ruimtepak, je zou doodvriezen en verstikken door een gebrek aan zuurstof. Maar je zou ook minder dan 1 procent van de atmosferische druk ervaren die je hier op aarde geniet.

En het blijkt, deze dunne atmosfeer maakt het ongelooflijk uitdagend om aanzienlijke ladingen veilig naar het oppervlak van de Rode Planeet te krijgen. In feite, slechts 53 procent van de missies naar Mars is echt goed verlopen. Laten we het hebben over hoe missies naar Mars in het verleden hebben gewerkt. en ik zal je laten zien wat het probleem is.

Landen op Mars is het ergste

historisch, missies naar Mars worden vanaf de aarde gelanceerd tijdens de vluchtvensters die om de twee jaar openen wanneer de aarde en Mars dichter bij elkaar zijn. ExoMars vloog in 2016, InZicht anno 2018, en de Mars 2020-rover zal binnenvliegen, goed, 2020.

De missies volgen een interplanetair overdrachtstraject dat is ontworpen om ofwel de snelste, of met de minste hoeveelheid brandstof.

Terwijl het ruimtevaartuig de atmosfeer van Mars binnengaat, het gaat tienduizenden kilometers per uur. op de een of andere manier, het moet al die snelheid verliezen voordat het zachtjes op het oppervlak van de Rode Planeet landt.

Hier op aarde, je kunt de dikke aardse atmosfeer gebruiken om je afdaling te vertragen, je snelheid aftappen met een hitteschild. De tegels van de spaceshuttle zijn ontworpen om de hitte van de terugkeer te absorberen, toen de orbiter van 77 ton van 28 ton ging, 000 km/u naar nul.

Een vergelijkbare techniek zou kunnen worden gebruikt op Venus of Titan, die een dikke atmosfeer hebben.

De maan, zonder enige sfeer, is relatief eenvoudig om op te landen, ook. Zonder enige sfeer, er is geen hitteschild nodig; je gebruikt gewoon voortstuwing om je baan te vertragen en op het oppervlak te landen. Zolang je genoeg drijfgas meeneemt, je kunt de landing plakken.

Terug naar Mars, met een ruimtevaartuig dat met een snelheid van meer dan 20 in zijn dunne atmosfeer raast, 000 kilometer per uur.

Nieuwsgierigheid is de grens

traditioneel, missies zijn hun afdaling begonnen met een aeroshell om een ​​deel van de snelheid van het ruimtevaartuig weg te nemen. De zwaarste missie ooit naar Mars was Curiosity, die 1 ton woog, of 2, 200 pond.

Toen het in de atmosfeer van Mars kwam, het ging 5,9 kilometer per seconde, of 22, 000 kilometer per uur.

Curiosity heeft de grootste aeroshell ooit naar Mars gestuurd, 4,5 meter breed. Deze enorme aeroshell was schuin gekanteld, waardoor het ruimtevaartuig kan manoeuvreren terwijl het de dunne atmosfeer van Mars raakt, gericht op een specifieke landingszone.

Op ongeveer 131 kilometer hoogte, het ruimtevaartuig zou stuwraketten gaan afvuren om het traject aan te passen naarmate het het oppervlak van Mars naderde.

Na ongeveer 80 seconden vliegen door de atmosfeer, de temperaturen op het hitteschild liepen op tot 2, 100 graden Celsius. Om smelten te voorkomen, het hitteschild is gemaakt van een speciaal materiaal dat met fenol geïmpregneerde koolstofablator wordt genoemd, of PICA, hetzelfde materiaal dat SpaceX gebruikt voor zijn Dragon Capsules.

Zodra het zijn snelheid had vertraagd tot lager dan Mach 2.2, het ruimtevaartuig zette de grootste parachute in die ooit is gebouwd voor een missie naar Mars - 16 meter breed. Deze parachute kan 29, 000 kilogram trekkracht, nog meer vertragen.

De ophanglijnen waren gemaakt van Technora en Kevlar, wat vrijwel de sterkste en meest hittebestendige materialen zijn die we kennen.

Daarna wierp het zijn parachute af en gebruikte raketmotoren om zijn afdaling nog meer te vertragen. Toen het dichtbij genoeg was, Curiosity zette een luchtkraan in die de rover zachtjes naar de oppervlakte liet zakken.

Dit is de snelle versie. Als je een uitgebreid overzicht wilt van wat Curiosity heeft meegemaakt bij de landing op Mars, Ik raad je ten zeerste aan om Emily Lakdawalla's te bekijken? Het ontwerp en de techniek van nieuwsgierigheid .

Zwaarder worden schaalt niet

Wilt u hetzelfde doen met zwaardere ladingen? Ik weet zeker dat je je grotere aeroshells voorstelt, grotere parachutes, grotere hemelkranen. In theorie, het SpaceX Starship zal 100 ton kolonisten en hun spullen naar het oppervlak van Mars sturen.

Hier is het probleem. De methoden om te vertragen in de atmosfeer van Mars schalen niet erg goed op.

Eerst, laten we beginnen met parachutes. Om eerlijk te zijn, bij 1 ton, Nieuwsgierigheid is ongeveer net zo zwaar als je kunt krijgen met een parachute. Elke zwaardere, en er zijn gewoon geen materialen die ingenieurs kunnen gebruiken die de vertragingsbelasting aankunnen.

Een paar maanden geleden, NASA-ingenieurs vierden de succesvolle test van het Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment, of ASPIREREN. Dit is de parachute die zal worden gebruikt voor de Mars 2020-rovermissie.

Ze zetten de parachute gemaakt van geavanceerde composietstoffen zoals nylon, Technora en Kevlar, op een sondeerraket en lanceerde deze naar een hoogte van 37 kilometer, het nabootsen van de omstandigheden die het ruimtevaartuig zal ervaren wanneer het bij Mars aankomt.

De parachute ontplooide zich in een fractie van een seconde, en wanneer volledig opgeblazen, ervaren 32, 000 kilogram kracht. Als u op dat moment aan boord was, je zou 3,6 keer zoveel kracht ervaren als tegen een muur botsen bij 100 km/u met je veiligheidsgordel. Met andere woorden, je zou het niet overleven.

Als het ruimtevaartuig zwaarder was, de parachute zou gemaakt moeten zijn van onmogelijk samengestelde stoffen. En vergeet passagiers.

NASA heeft ideeën uitgeprobeerd om ladingen tot wel 3 ton op Mars te laten landen. Een idee heet de Low-Density Supersonic Decelerator, of LDSD. Het idee is om een ​​veel grotere aerodynamische vertrager te gebruiken die als een springkussen rond het ruimtevaartuig zou worden opgeblazen als het de zwaartekracht van Mars binnengaat.

anno 2015, NASA heeft deze technologie daadwerkelijk getest, het vervoeren van een prototype voertuig op een ballon naar een hoogte van 36 kilometer. Het voertuig vuurde toen zijn solide raket af, hem naar een hoogte van 55 kilometer te brengen.

Terwijl het naar boven schoot, het heeft zijn supersonische opblaasbare aerodynamische vertrager opgeblazen tot een diameter van zes meter (of 20 voet), die het vervolgens vertraagde tot Mach 2.4. Helaas, zijn parachute kon niet goed worden ingezet, dus stortte het neer in de Stille Oceaan.

Dat is vooruitgang. Als ze de techniek en de natuurkunde kunnen uitwerken, op een dag zouden we ruimtevaartuigen van drie ton op het oppervlak van Mars kunnen zien landen. Drie hele ton.

meer voortstuwing, Minder lading

Het volgende idee om een ​​Marslanding op te schalen is om meer voortstuwing te gebruiken. In theorie, je kunt gewoon meer brandstof meenemen, vuur je raketten af ​​wanneer je op Mars aankomt, en annuleer al die snelheid. Het probleem, natuurlijk, is dat hoe meer massa je moet dragen om te vertragen, hoe minder massa je daadwerkelijk op het oppervlak van Mars kunt landen.

Het SpaceX Starship zal naar verwachting een voortstuwende landing gebruiken om 100 ton naar het oppervlak van Mars te krijgen. Omdat het een meer directe, sneller pad, het ruimteschip zal de atmosfeer van Mars sneller dan 8,5 km/s raken en vervolgens aerodynamische krachten gebruiken om het binnendringen te vertragen.

Het hoeft niet zo snel te gaan, natuurlijk. Het ruimteschip kan aerobraking gebruiken, meerdere keren door de bovenste atmosfeer gaan om de snelheid af te tappen. In feite, dit is de methode die orbitale ruimtevaartuigen die naar Mars gaan, gebruiken.

Maar dan zouden passagiers aan boord weken nodig hebben om het ruimtevaartuig te vertragen en in een baan rond Mars te brengen. om vervolgens door de atmosfeer af te dalen.

Volgens Elon Musk zijn heerlijk niet-intuïtieve strategie om met al die hitte om te gaan, is het ruimtevaartuig van roestvrij staal te bouwen, en dan zullen kleine gaatjes in de schaal methaan naar buiten laten lopen om de loefzijde van het ruimtevaartuig koel te houden.

Zodra het voldoende snelheid verliest, het zal draaien, vuur zijn Raptor-motoren af ​​en land zachtjes op het oppervlak van Mars.

Richt op de grond, Trek op het laatste moment omhoog

Elke kilo brandstof die het ruimtevaartuig gebruikt om zijn afdaling naar het oppervlak van Mars te vertragen, is een kilo vracht die het niet naar het oppervlak kan vervoeren. Ik weet niet zeker of er een levensvatbare strategie is die gemakkelijk zware ladingen op het oppervlak van Mars kan landen. Slimmere mensen dan ik denken dat het vrijwel onmogelijk is zonder enorme hoeveelheden drijfgas te gebruiken.

Dat gezegd hebbende, Elon Musk denkt dat er een manier is. En voordat we zijn ideeën terzijde schuiven, laten we kijken hoe de tweezijdige boosters van de Falcon Heavy-raket perfect samen landen. En let niet op wat er met de centrale booster is gebeurd.

Een nieuwe studie van de ruimtevaartafdeling van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign stelt voor dat missies naar Mars kunnen profiteren van de dikkere atmosfeer die zich dichter bij het oppervlak van Mars bevindt.

In hun paper getiteld "Entry Trajectory Options for High Ballistic Coefficient Vehicles at Mars, "De onderzoekers stellen voor dat ruimtevaartuigen die naar Mars vliegen, niet zo'n haast hoeven te hebben om hun snelheid kwijt te raken.

Terwijl het ruimtevaartuig door de atmosfeer schreeuwt, het zal nog steeds veel aerodynamische lift kunnen genereren, die gebruikt zou kunnen worden om het door de atmosfeer te sturen.

Ze voerden de berekeningen uit en ontdekten dat de ideale hoek was om het ruimtevaartuig recht naar beneden te richten en naar het oppervlak te duiken. Vervolgens, op het laatst mogelijke moment, trek omhoog met behulp van de aerodynamische lift om zijwaarts door het dikste deel van de atmosfeer te vliegen.

Dit verhoogt de weerstand en zorgt ervoor dat u de meeste snelheid kunt kwijtraken voordat u uw afdalingsmotoren inschakelt en uw gemotoriseerde landing voltooit.

Dat klinkt, eh, plezier.

Als de mensheid een levensvatbare toekomst gaat bouwen op het oppervlak van Mars, we zullen dit probleem moeten oplossen. We zullen een reeks technologieën en technieken moeten ontwikkelen die de landing op Mars betrouwbaarder en veiliger maken. Ik vermoed dat het een veel grotere uitdaging zal zijn dan mensen verwachten, maar ik ben benieuwd naar de ideeën die de komende jaren getest gaan worden.