Det er synd at Mars er et så interessant sted, fordi det faktisk er et av de vanskeligste stedene å besøke i solsystemet, spesielt hvis du vil ha med deg mye bagasje. Den planeten er en kirkegård av oppdrag som ikke helt klarte det.
Når ambisjonene våre vokser, og vi tenker på å utforske Mars med mennesker - kanskje til og med fremtidige kolonister - vil vi trenge å løse et av de største problemene innen romutforskning.
Vellykket landing av tung nyttelast på overflaten av Mars er virkelig veldig vanskelig å gjøre.
Det er en mengde utfordringer med Mars, inkludert mangelen på en beskyttende magnetosfære og lavere tyngdekraft. Men en av de største er den tynne atmosfæren av karbondioksid.
Hvis du sto på overflaten av Mars uten en romdrakt, ville du fryse i hjel og kveles av mangel på oksygen. Men du vil også oppleve mindre enn 1% av atmosfæretrykket du liker her på jorden.
Og det viser seg at denne tynne atmosfæren gjør det utrolig utfordrende å få betydelige nyttelaster trygt ned til overflaten av Røde planeten. Faktisk har bare 53% av oppdragene til Mars faktisk fungert ordentlig.
Så la oss snakke om hvordan oppdrag til Mars har fungert i det siste, så viser jeg deg hva problemet er.
Å lande på Mars er det verste
Historisk sett blir oppdrag til Mars lansert fra Jorden i løpet av flyvinduene som åpner seg annethvert år når Jorden og Mars er nærmere hverandre. ExoMars fløy i 2016, InSight i 2018 og Mars 2020-roveren vil fly inn, vel, 2020.
Oppdragene følger interplanetarisk overføringsbane som er designet for å enten komme dit raskest, eller med minst mulig drivstoff.
Når romskipet kommer inn i atmosfæren til Mars, går det titusenvis av kilometer i timen. Det må på en eller annen måte miste all den hastigheten før den lander forsiktig på overflaten av den røde planeten.
Her på jorden kan du bruke den tykke jordanske atmosfæren for å senke nedstigningen din, og blø din hastighet med et varmeskjold. Romskyttens fliser ble designet for å absorbere varmen fra inntreden, da den 77 tonns orbiteren gikk fra 28.000 km / t til null.
En lignende teknikk kan brukes på Venus eller Titan, der de har tykke atmosfærer.
Månen, uten atmosfære i det hele tatt, er relativt grei å lande på også. Uten atmosfære i det hele tatt er det ikke behov for et varmeskjold, du bruker bare fremdrift for å bremse bane og lande på overflaten. Så lenge du har med deg nok drivmiddel, kan du feste landing.
Tilbake til Mars, med et romfartøy som surret inn i den tynne atmosfæren på mer enn 20.000 kilometer i timen.
Nysgjerrighet er grensen
Tradisjonelt har oppdrag startet sin nedstigning med en aeroshell for å fjerne noe av romskipets hastighet. Det tyngste oppdraget som noen gang ble sendt til Mars var Curiosity, som veide inn til 1 tonn, eller 2200 pund.
Da den kom inn i den Martiske atmosfæren, gikk den 5,9 kilometer i sekundet, eller 22 000 kilometer i timen.
Nysgjerrighet hadde den største aeroshellen som noen gang ble sendt til Mars, og målte 4,5 meter på tvers. Denne enorme aeroshellen ble vinklet i vinkel, slik at romfartøyet kunne manøvrere når det treffer den tynne atmosfæren til Mars, med sikte på en spesifikk landingssone.
I omtrent 131 kilometer høyde ville romfartøyet begynne å skyte skyver for å justere banen perfekt når det nærmet seg overflaten til Mars.
Cirka 80 sekunders flukt gjennom atmosfæren steg temperaturene på varmeskjoldet til 2.100 grader celsius. For ikke å smelte, brukte varmeskjoldet et spesielt materiale kalt Phenolic Impregnated Carbon Ablator, eller PICA. Det samme materialet SpaceX bruker for sine Dragon Capsules, forresten.
Når det hadde bremset hastigheten til lavere enn Mach 2.2, satte romfartøyet i gang den største fallskjermen som noen gang er bygget for et oppdrag til Mars - 16 meter over. Denne fallskjermen kunne generere 29.000 kilo dragkraft og bremse den enda mer.
Opphengslinjene var laget av Technora og Kevlar, som er ganske mye de sterkeste og mest varmebestandige materialene vi kjenner til.
Da sprengte den fallskjermen og brukte rakettmotorer for å bremse nedstigningen enda mer. Da det var nær nok, satte Curiosity ut en skykran som senket roveren forsiktig ned til overflaten.
Dette er den raske versjonen. Hvis du vil ha en omfattende oversikt over hva Curiosity gikk gjennom landing på Mars, anbefaler jeg på det sterkeste at du sjekker ut Emily Lakdawalla’s “The Design and Engineering of Curiosity”.
Nysgjerrigheten veide bare ett tonn.
Å gå tyngre skaleres ikke
Vil du gjøre det samme med tyngre nyttelast? Jeg er sikker på at du forestiller deg større aeroshells, større fallskjerm, større skykraner.
I teorien vil SpaceX Starship sende 100 tonn kolonister og deres ting til overflaten til Mars.
Her er problemet. Metodene for å retardere seg i den Martiske atmosfæren skaleres ikke særlig godt.
La oss begynne med fallskjerm. For å være ærlig, på 1 tonn er nysgjerrigheten omtrent så tung som du kan få ved hjelp av fallskjerm. Enhver tyngre og det er ikke noen materialer ingeniører kan bruke som takler retardasjonsbelastningen.
For et par måneder siden feiret ingeniører fra NASA den vellykkede testen av Advanced Supersonic Parachute Inflations Research Experiment, eller ASPIRE. Dette er fallskjermen som skal brukes til Mars 2020 rover-oppdraget.
De satte fallskjermen fra avanserte komposittstoffer, som nylon, Technora og Kevlar, på en klingende rakett og lanserte den i en høyde av 37 kilometer, og etterligner forholdene romfartøyet vil oppleve når det ankommer Mars.
Fallskjermen utplassert på et brøkdel av et sekund, og full oppblåst, opplevde 32.000 kilo styrke. Hvis du var om bord på den tiden, ville du opplevd 3,6 ganger så mye krefter som å krasje i en vegg som gikk 100 km / t med bilbeltet. Med andre ord, du ville ikke overleve.
Hvis romskipet var noe tyngre, må det være laget av umulige komposittstoffer. Og glem passasjerer.
NASA har prøvd ut forskjellige ideer for å lande tyngre nyttelast på Mars, så mye som 3 tonn.
En idé kalles Low-Density Supersonic Decelerator, eller LDSD. Ideen er å bruke en mye større aerodynamisk retardator som ville blåse opp rundt romfartøyet som et hoppeslott når det kommer inn i Mars-tyngdekraften.
I 2015 testet NASA faktisk denne teknologien, og bar et prototypekjøretøy på en ballong til en høyde av 36 kilometer. Kjøretøyet avfyrte deretter sin solide rakett, og bar den til en høyde av 55 kilometer.
Mens den raket oppover, blåste den opp Supersonic Oppblåsbar aerodynamisk decelerator til en diameter på 6 meter (eller 20 fot), som deretter bremset den ned til Mach 2.4. Dessverre klarte ikke fallskjermen å distribuere ordentlig, så den styrtet ned i Stillehavet.
Det er fremgang. Hvis de faktisk kan trene ingeniørfag og fysikk, kunne vi en dag se 3 tonns romskip lande på overflaten av Mars. Tre hele tonn.
Mer fremdrift, mindre last
Den neste ideen å skalere opp en Mars-landing er å bruke mer fremdrift. I teorien kan du bare ta med mer drivstoff, skyte rakettene dine når du ankommer Mars og avbryte all den hastigheten. Problemet er selvfølgelig at jo mer masse du må bære for å bremse opp, jo mindre masse kan du faktisk lande på overflaten av Mars.
SpaceX Starship forventes å bruke en fremdrivende landing for å få 100 tonn ned til overflaten av Mars. Fordi det tar en mer direkte, raskere vei, vil Starship treffe den martiske atmosfæren raskere enn 8,5 km / s og deretter bruke aerodynamiske krefter for å senke inntredenen.
Det trenger ikke selvfølgelig gå så raskt. Starship kunne bruke aerobraking, og passerte gjennom den øvre atmosfæren flere ganger for å blø av hastigheten. Faktisk er dette metoden som orbitale romfartøy som skal til Mars bruker.
Men da vil passasjerer om bord måtte bruke flere uker på at romfartøyet skulle bremse og gå i bane rundt Mars, for deretter å stige ned gjennom atmosfæren.
I følge Elon Musk, er hans nydelige, ikke-intuitive strategi for å håndtere all den varmen å bygge romfartøyet av rustfritt stål, og da vil små hull i skallet tømme metanbrensel for å holde den bakoverliggende siden av romfartøyet kjølig.
Når den kaster nok hastighet, vil den snu, skyte av Raptor-motorene og lande forsiktig på overflaten av Mars.
Sikt på bakken, dra opp i siste øyeblikk
Hver kilo drivstoff som romfartøyet bruker for å bremse nedstigningen til overflaten til Mars, er et kilo last som det ikke kan ta med seg til overflaten.
Jeg er ikke sikker på at det er noen levedyktig strategi som lett vil lande tung nyttelast på overflaten av Mars. Smartere mennesker enn meg synes det er ganske mye umulig uten å bruke enorme mengder drivmiddel.
Når det er sagt, tror Elon Musk at det er en måte. Og før vi diskuterer ideene hans, la oss se tvillingsideforsterkerne fra Falcon Heavy-raketten lande perfekt sammen.
Og vær ikke oppmerksom på hva som skjedde med den sentrale boosteren.
En ny studie fra Aerospace Department ved University of Illinois i Urbana-Champaign foreslår at oppdrag til Mars kan dra nytte av den tykkere atmosfæren som er nærmere overflaten til Mars.
I papiret med tittelen “Entry Trajectory Options for High Ballistic Coefficient Vehicles at Mars” foreslår forskerne at romfartøy som flyr til Mars ikke trenger å ha det travelt med å kvitte seg med hastigheten.
Når romskipet skriker gjennom atmosfæren, vil det fortsatt være i stand til å generere mye aerodynamisk heis, som kan brukes til å styre det gjennom atmosfæren.
De kjørte beregningene og fant ut at den ideelle vinkelen var å bare rette romfartøyet rett ned og dykke mot overflaten. Så, i siste mulige øyeblikk, trekk opp ved hjelp av den aerodynamiske heisen for å fly sidelengs gjennom den tykkeste delen av atmosfæren.
Dette øker dra og lar deg kvitte deg med mest mulig hastighet før du slår på nedstigningsmotorene og fullfører den kraftige landingen.
Det høres ut, moro.
Hvis menneskeheten skal bygge en levedyktig fremtid på overflaten av Mars, vil vi trenge å knekke dette problemet. Vi kommer til å trenge å utvikle en serie teknologier og teknikker som gjør landing på Mars mer pålitelig og trygg.
Jeg mistenker at det kommer til å bli mye mer utfordrende enn folk forventer, men jeg gleder meg til ideene som vil bli testet i løpet av de kommende årene.
En stor takk til Nancy Atkinson som dekket dette emnet her på Space Magazine for mer enn ti år siden, og inspirerte meg til å jobbe med denne videoen.
