Terlalu buruk Mars adalah tempat yang menarik, kerana sebenarnya ini adalah salah satu tempat paling sukar untuk dikunjungi di Sistem Suria, terutamanya jika anda ingin membawa banyak barang. Planet itu adalah kuburan misi yang tidak berjaya.
Ketika cita-cita kita berkembang, dan kita berfikir untuk menjelajah Mars dengan manusia - bahkan mungkin penjajah masa depan - kita perlu menyelesaikan salah satu masalah terbesar dalam penerokaan angkasa lepas.
Berjaya mendarat muatan berat di permukaan Marikh sungguh sukar dilakukan.
Terdapat banyak cabaran dengan Mars, termasuk kekurangan magnetosfera pelindung dan graviti permukaan yang lebih rendah. Tetapi salah satu yang terbesar adalah atmosfera karbon dioksida yang nipis.
Sekiranya anda berdiri di permukaan Marikh tanpa spacesuit, anda akan mati lemas dan sesak nafas akibat kekurangan oksigen. Tetapi anda juga akan mengalami kurang daripada 1% tekanan atmosfera yang anda nikmati di Bumi.
Ternyata, suasana yang tipis ini menjadikannya sangat mencabar untuk mendapatkan muatan yang besar dengan selamat ke permukaan Planet Merah. Sebenarnya, hanya 53% misi ke Marikh yang benar-benar berjaya.
Oleh itu, mari kita bincangkan bagaimana misi ke Marikh telah berjalan pada masa lalu, dan saya akan menunjukkan kepada anda apa masalahnya.
Mendarat di Marikh adalah yang Terburuk
Dari segi sejarah, misi ke Marikh dilancarkan dari Bumi semasa tingkap penerbangan yang dibuka setiap dua tahun atau lebih ketika Bumi dan Mars saling berdekatan. ExoMars terbang pada tahun 2016, InSight pada tahun 2018 dan rover Mars 2020 akan terbang pada tahun 2020.
Misi mengikuti lintasan pemindahan antarplanet yang dirancang untuk sampai ke sana paling cepat, atau dengan jumlah bahan bakar paling sedikit.
Ketika kapal angkasa memasuki atmosfer Marikh, jaraknya berpuluh-puluh ribu kilometer per jam. Entah bagaimana ia harus kehilangan semua halaju sebelum mendarat dengan lembut di permukaan Planet Merah.
Di Bumi ini, anda boleh menggunakan atmosfer Bumi yang tebal untuk melambatkan keturunan anda, melepaskan kecepatan anda dengan pelindung haba. Jubin pesawat ulang-alik ini dirancang untuk menyerap panas masuk semula, kerana pengorbit 77 tan meningkat dari 28.000 km / jam menjadi sifar.
Teknik serupa dapat digunakan di Venus atau Titan, di mana mereka memiliki atmosfer yang tebal.
Bulan, tanpa suasana sama sekali cukup mudah untuk mendarat juga. Tanpa suasana sama sekali, tidak perlu pelindung panas, anda hanya menggunakan dorongan untuk memperlahankan orbit dan mendarat di permukaan. Selagi anda membawa cukup propelan, anda boleh menahan pendaratan.
Kembali ke Marikh, dengan kapal angkasa memasuki atmosfernya yang tipis dengan jarak lebih dari 20,000 kilometer sejam.
Rasa ingin tahu adalah hadnya
Secara tradisinya, misi telah memulakan perjalanan mereka dengan aerosel untuk menghilangkan beberapa halaju kapal angkasa. Misi paling berat yang pernah dihantar ke Mars ialah Curiosity, yang beratnya pada 1 metrik tan, atau 2,200 paun.
Ketika memasuki atmosfer Mars, jaraknya 5,9 kilometer sesaat, atau 22,000 kilometer sejam.
Curiosity mempunyai aeroshell terbesar yang pernah dihantar ke Mars, berukuran 4.5 meter. Aerosel besar ini dimiringkan pada sudut, memungkinkan kapal angkasa bermanuver ketika menyentuh atmosfer Mars yang tipis, bertujuan untuk zon pendaratan tertentu.
Pada ketinggian kira-kira 131 kilometer, kapal angkasa akan mula menembak pelempar untuk menyesuaikan lintasan sempurna ketika menghampiri permukaan Marikh.
Kira-kira 80 saat penerbangan melalui atmosfera, suhu pada pelindung panas meningkat kepada 2,100 darjah celsius. Agar tidak mencair, pelindung haba menggunakan bahan khas yang disebut Phenolic Impregnated Carbon Ablator, atau PICA. Bahan yang sama yang digunakan SpaceX untuk Dragon Capsulesnya.
Setelah kecepatannya menjadi lebih rendah daripada Mach 2.2, kapal angkasa itu menggunakan payung terjun terbesar yang pernah dibina untuk misi ke Marikh - seberang 16 meter. Parasut ini dapat menghasilkan daya seretan 29,000 kilogram, memperlahankannya.
Garis gantung dibuat dari Technora dan Kevlar, yang merupakan bahan tahan panas dan paling kuat yang kita ketahui.
Kemudian ia melepaskan parasut dan menggunakan mesin roket untuk memperlahankan penurunannya. Ketika cukup dekat, Curiosity menggunakan skycrane yang menurunkan rover ke permukaan dengan lembut.
Ini adalah versi pantas. Sekiranya anda menginginkan gambaran umum yang mendalam mengenai apa yang ingin dicapai oleh Curiosity ketika mendarat di Marikh, saya sangat mengesyorkan anda melihat "Reka Bentuk dan Kejuruteraan Keingintahuan" Emily Lakdawalla.
Rasa ingin tahu hanya seberat satu tan.
Melangkah Lebih Tidak Berat
Ingin melakukan perkara yang sama dengan muatan yang lebih berat? Saya pasti anda membayangkan aerosel yang lebih besar, payung terjun yang lebih besar, skycran yang lebih besar.
Secara teori, SpaceX Starship akan menghantar 100 tan penjajah dan barang-barang mereka ke permukaan Marikh.
Inilah masalahnya. Kaedah penurunan suhu di atmosfer Mars tidak meningkat dengan baik.
Pertama, mari kita mulakan dengan payung terjun. Sejujurnya, dengan berat 1 tan, rasa ingin tahu sama beratnya dengan menggunakan payung terjun. Mana-mana yang lebih berat dan tidak ada jurutera bahan yang boleh digunakan yang dapat menangani beban perlambatan.
Beberapa bulan yang lalu, jurutera NASA meraikan kejayaan ujian Eksperimen Penyelidikan Inflasi Parasut Supersonik, atau ASPIRE. Inilah parasut yang akan digunakan untuk misi rover Mars 2020.
Mereka meletakkan parasut yang terbuat dari kain komposit canggih, seperti nilon, Technora dan Kevlar, ke roket yang terdengar dan meluncurkannya ke ketinggian 37 kilometer, meniru keadaan yang akan dialami kapal angkasa ketika tiba di Marikh.
Parasut yang dikerahkan dalam sepersekian saat, dan meningkat sepenuhnya, mengalami kekuatan 32,000 kilogram. Sekiranya anda menaiki kapal pada waktu itu, anda akan mengalami kekuatan 3.6 kali lebih banyak daripada menabrak tembok sejauh 100 km / jam dengan memakai tali pinggang keledar anda. Dengan kata lain, anda tidak akan bertahan.
Sekiranya kapal angkasa itu lebih berat, ia perlu dibuat dari kain komposit yang mustahil. Dan lupakan penumpang.
NASA telah mencuba pelbagai idea untuk menghasilkan muatan yang lebih besar di Marikh, seperti sebanyak 3 tan.
Satu idea dinamakan Low-Density Supersonic Decelerator, atau LDSD. Ideanya adalah menggunakan dekelerator aerodinamik yang jauh lebih besar yang akan melambung di sekitar kapal angkasa seperti istana yang melenting ketika memasuki graviti Mars.
Pada tahun 2015, NASA benar-benar menguji teknologi ini, dengan membawa kenderaan prototaip di atas belon hingga ketinggian 36 kilometer. Kenderaan itu kemudian menembakkan roket padatnya, membawanya ke ketinggian 55 kilometer.
Ketika melonjak ke atas, ia menaikkan Supeleric Inflatable Aerodynamic Decelerator ke diameter 6 meter (atau 20 kaki), yang kemudian melambatkannya kembali ke Mach 2.4. Sayangnya parasutnya gagal dikerahkan dengan baik, sehingga jatuh ke Laut Pasifik.
Itu kemajuan. Sekiranya mereka benar-benar dapat melakukan kejuruteraan dan fizik, suatu hari kita dapat melihat kapal angkasa 3 tan mendarat di permukaan Marikh. Tiga tan keseluruhan.
Lebih Banyak Dorongan, Kurang Kargo
Idea seterusnya untuk meningkatkan pendaratan Mars adalah menggunakan lebih banyak dorongan. Secara teori, anda hanya dapat membawa lebih banyak bahan bakar, menembakkan roket ketika tiba di Mars, dan membatalkan semua halaju itu. Masalahnya, tentu saja, semakin banyak jisim yang harus anda bawa untuk melambatkan, semakin banyak jisim yang sebenarnya anda dapat mendarat di permukaan Marikh.
SpaceX Starship diharapkan akan menggunakan pendaratan propulsif untuk menurunkan 100 tan ke permukaan Mars. Kerana mengambil jalan yang lebih langsung, lebih cepat, Starship akan melanda atmosfer Mars lebih cepat dari 8.5 km / s dan kemudian menggunakan kekuatan aerodinamik untuk memperlahankan jalan masuknya.
Sudah tentu, ia tidak semestinya berjalan pantas Starship dapat menggunakan aerobraking, melewati atmosfer atas beberapa kali untuk mengeluarkan kecepatan. Sebenarnya, ini adalah kaedah yang digunakan kapal angkasa orbit yang menuju ke Marikh.
Tetapi penumpang yang berada di dalam kapal perlu menghabiskan berminggu-minggu agar kapal angkasa melambatkan dan masuk ke orbit mengelilingi Marikh, dan kemudian turun melalui atmosfera.
Menurut Elon Musk, strategi yang sangat tidak disengajakan untuk menangani semua panas adalah membina kapal angkasa dari keluli tahan karat, dan kemudian lubang kecil di cangkang akan mengeluarkan bahan bakar metana untuk menjaga sisi angin pesawat ruang angkasa tetap sejuk.
Setelah memancarkan kecepatan yang cukup, ia akan berpusing, menyalakan enjin Raptornya dan mendarat dengan perlahan di permukaan Marikh.
Matlamat untuk Mendarat, Tarik Pada Minit Terakhir
Setiap kilogram bahan bakar yang digunakan kapal angkasa untuk memperlambat penurunannya ke permukaan Marikh adalah satu kilogram kargo yang tidak dapat dibawa ke permukaan.
Saya tidak pasti ada strategi yang boleh dengan mudah membawa muatan berat di permukaan Marikh. Orang-orang yang lebih pintar daripada saya berpendapat bahawa sangat mustahil tanpa menggunakan sejumlah besar bahan bakar.
Yang mengatakan, Elon Musk berpendapat ada jalan. Dan sebelum kita menolak idea-idenya, mari kita saksikan penguat sisi kembar dari roket Falcon Heavy bersama-sama.
Dan tidak memperhatikan apa yang berlaku pada penguat pusat.
Kajian baru dari Jabatan Aeroangkasa di University of Illinois di Urbana-Champaign mencadangkan agar misi ke Marikh dapat memanfaatkan suasana yang lebih tebal yang dekat dengan permukaan Marikh.
Dalam makalah mereka yang bertajuk, "Entry Trajectory Options for High Ballistic Coefficient Vehicles at Mars", para penyelidik mencadangkan agar kapal angkasa yang terbang ke Mars tidak perlu terburu-buru untuk menghilangkan halaju mereka.
Semasa kapal angkasa menjerit ke atmosfer, ia masih dapat menghasilkan banyak lift aerodinamik, yang dapat digunakan untuk mengarahkannya ke atmosfer.
Mereka menjalankan perhitungan dan mendapati sudut yang ideal adalah dengan mengarahkan kapal angkasa lurus ke bawah dan menyelam ke arah permukaan. Kemudian, pada saat terakhir yang mungkin, tarik menggunakan lift aerodinamik untuk terbang ke sisi yang paling tebal di atmosfera.
Ini meningkatkan daya tarikan dan membolehkan anda menyingkirkan kelajuan yang paling banyak sebelum menghidupkan enjin turun dan menyelesaikan pendaratan berkuasa anda.
Kedengarannya, um, menyeronokkan.
Sekiranya umat manusia akan membangun masa depan yang layak di permukaan Marikh, kita perlu mengatasi masalah ini. Kita perlu mengembangkan serangkaian teknologi dan teknik yang menjadikan pendaratan di Marikh lebih dipercayai dan selamat.
Saya mengesyaki akan jauh lebih mencabar daripada yang diharapkan orang, tetapi saya menantikan idea yang akan diuji pada tahun-tahun mendatang.
Terima kasih yang tidak terhingga kepada Nancy Atkinson yang merangkumi topik ini di sini di Space Magazine lebih dari satu dekad yang lalu, dan memberi inspirasi kepada saya untuk mengerjakan video ini.
