Mars çok ilginç bir yer çünkü Güneş Sisteminde ziyaret edilmesi en zor yerlerden biri, özellikle de çok fazla bagaj getirmek istiyorsanız. Bu gezegen, tam olarak başaramayan bir görev mezarlığıdır.
Hedeflerimiz büyüdükçe ve Mars'ı insanlarla (belki de gelecekteki kolonistler bile) keşfetmeyi düşündüğümüzde, uzay araştırmalarındaki en büyük sorunlardan birini çözmemiz gerekecek.
Mars'ın yüzeyine ağır yüklerin başarıyla inmesi gerçekten çok zor.
Mars ile koruyucu bir manyetosfer eksikliği ve daha düşük yüzey ağırlığı da dahil olmak üzere bir dizi zorluk var. Ancak en büyüklerinden biri ince karbon dioksit atmosferi.
Mars yüzeyinde uzay giysisi olmadan duruyorsanız, donarak ölür ve oksijen eksikliğinden boğulurdunuz. Ancak burada Dünya'da hoşunuza giden atmosfer basıncının% 1'inden daha azını yaşarsınız.
Ve ortaya çıkıyor, bu ince atmosfer, Kızıl Gezegenin yüzeyine kadar önemli yükleri güvenli bir şekilde almayı inanılmaz derecede zorlaştırıyor. Aslında, Mars'a yapılan görevlerin sadece% 53'ü düzgün bir şekilde çalıştı.
Öyleyse, Mars misyonlarının geçmişte nasıl çalıştığı hakkında konuşalım ve size sorunun ne olduğunu göstereceğim.
Mars'a iniş en kötüsü
Tarihsel olarak, Mars'a misyonlar, Dünya ve Mars birbirine daha yakın olduğunda iki yılda bir açılan uçuş pencereleri sırasında Dünya'dan başlatılır. ExoMars 2016'da uçtu, InSight 2018'de ve Mars 2020 gezgini 2020'de uçacak.
Görevler, oraya en hızlı veya en az yakıtla ulaşmak için tasarlanmış gezegenler arası transfer yörüngesini takip eder.
Uzay aracı Mars atmosferine girdiğinde, saatte on binlerce kilometre gidiyor. Kızıl Gezegenin yüzeyine yavaşça inmeden önce bir şekilde tüm bu hızı kaybetmek zorundadır.
Burada Dünya'da, inişinizi yavaşlatmak ve bir ısı kalkanı ile hızınızı kanamak için kalın Dünya atmosferini kullanabilirsiniz. Uzay mekiğinin karoları, 77 tonluk yörünge 28.000 km / s'den sıfıra indiği için yeniden giriş ısısını emecek şekilde tasarlandı.
Benzer bir teknik, kalın atmosferleri olan Venüs veya Titan'da kullanılabilir.
Hiç bir atmosfere sahip olmayan Ay, iniş yapmak da nispeten kolaydır. Hiç bir atmosfer olmadan, bir ısı kalkanına gerek yoktur, sadece yörüngenizi yavaşlatmak ve yüzeye inmek için tahrik kullanırsınız. Yeterli itici güç getirdiğiniz sürece inişi yapıştırabilirsiniz.
Mars'a geri dönün, bir uzay aracı saatte 20.000 kilometreden fazla ince atmosferine zarar verdi.
Merak Sınırdır
Geleneksel olarak, görevler uzay aracının hızının bir kısmını ortadan kaldırmak için bir aeroshell ile inişe başladı. Mars'a gönderilen en ağır görev, 1 metrik ton veya 2.200 pound ağırlığında olan Meraktı.
Mars atmosferine girdiğinde saniyede 5,9 kilometre ya da saatte 22,000 kilometre gidiyordu.
Merak, Mars'a gönderilen ve 4,5 metre çapında en büyük aeroshell'e sahipti. Bu devasa aeroshell, belirli bir iniş bölgesi hedefleyen Mars'ın ince atmosferine çarptığında uzay aracının manevra yapmasına izin veren bir açıyla eğildi.
Yaklaşık 131 kilometre yükseklikte, uzay aracı Mars'ın yüzeyine yaklaşırken yörüngeyi mükemmel bir şekilde ayarlamak için iticileri ateşlemeye başlayacaktı.
Atmosferde yaklaşık 80 saniye uçuş, ısı kalkanındaki sıcaklıklar 2.100 santigrat dereceye yükseldi. Erimemek için, ısı kalkanı Fenolik Emprenye Karbon Ablatör veya PICA adı verilen özel bir malzeme kullandı. Bu arada SpaceX'in Ejderha Kapsülleri için kullandığı aynı malzeme.
Mach 2.2'den daha düşük bir hıza ulaştığında, uzay aracı Mars'a bir görev için şimdiye kadar yapılmış en büyük paraşütü konuşlandırdı - 16 metre. Bu paraşüt 29.000 kilogram sürükleme kuvveti oluşturarak daha da yavaşlatabilir.
Süspansiyon hatları, bildiğimiz en güçlü ve ısıya dayanıklı malzemeler olan Technora ve Kevlar'dan yapılmıştır.
Sonra paraşütünü fırlattı ve inişini daha da yavaşlatmak için roket motorlarını kullandı. Merak yeterince yakın olduğunda, gezgini yavaşça yüzeye indiren bir skycrane yerleştirdi.
Bu hızlı versiyon. Merakın Mars'a inişine dair kapsamlı bir genel bakış istiyorsanız, Emily Lakdawalla’nın “Merak Tasarımı ve Mühendisliği” bölümüne göz atmanızı tavsiye ederim.
Merak sadece bir ton ağırlığındaydı.
Daha Ağır Olmak Ölçeklendirilmiyor
Aynı şeyi daha ağır yüklerle yapmak ister misiniz? Eminim daha büyük aeroshelller, daha büyük paraşütler, daha büyük skycranes hayal ediyorsunuz.
Teorik olarak, SpaceX Starship 100 ton kolonist ve eşyalarını Mars yüzeyine gönderecek.
Sorun burada. Mars atmosferinde yavaşlama yöntemleri çok iyi ölçeklenmiyor.
Önce paraşütle başlayalım. Dürüst olmak gerekirse, 1 tonda Merak yaklaşık bir paraşüt kullanabileceğiniz kadar ağırdır. Daha ağır olan ve mühendislerin kullanabileceği yavaşlama yükünü kaldırabilecek malzeme yoktur.
Birkaç ay önce, NASA mühendisleri Gelişmiş Süpersonik Paraşüt Enflasyon Araştırma Deneyi veya ASPIRE'nin başarılı testini kutladı. Mars 2020 gezici görevi için kullanılacak paraşüt budur.
Naylon, Technora ve Kevlar gibi gelişmiş kompozit kumaşlardan yapılmış paraşütü sondaj roketine koydular ve uzay aracının Mars'a ulaşırken karşılaşacağı koşulları taklit ederek 37 kilometre yüksekliğe fırlattılar.
Saniyenin bir kısmında dağıtılan ve tamamen şişirilmiş paraşüt 32.000 kilogram kuvvet yaşadı. O sırada gemide olsaydınız, emniyet kemerinizi takan 100 km / s'lik bir duvara çarpmaktan 3.6 kat daha fazla güç yaşayacaksınız. Başka bir deyişle, hayatta kalamazsınız.
Uzay aracı daha ağır olsaydı, imkansız kompozit kumaşlardan yapılması gerekirdi. Ve yolcuları unutun.
NASA, Mars'a 3 ton gibi daha ağır yükler yüklemek için farklı fikirler deniyor.
Bir fikre Düşük Yoğunluklu Süpersonik Yavaşlatıcı veya LDSD denir. Fikir, Mars'ın yerçekimine girerken, uzay aracı etrafında kabarık bir kale gibi şişecek çok daha büyük bir aerodinamik yavaşlatıcı kullanmaktır.
NASA 2015 yılında bu teknolojiyi test etti ve balonda prototip bir aracı 36 kilometrelik bir yüksekliğe taşıdı. Araç daha sonra sağlam roketini ateşleyerek 55 kilometre yüksekliğe taşıdı.
Yukarı doğru roket yaparken, Süpersonik Şişme Aerodinamik Yavaşlatıcısını 6 metre (veya 20 feet) çapa kadar şişirdi ve daha sonra Mach 2.4'e geri döndü. Ne yazık ki paraşütü düzgün bir şekilde konuşlandırılamadı, bu yüzden Pasifik Okyanusu'na düştü.
Bu ilerleme. Eğer gerçekten mühendislik ve fizik üzerinde çalışabilirlerse, bir gün Mars'ın yüzeyine iniş yapan 3 tonluk uzay aracını görebilirdik. Üç ton.
Daha Fazla Tahrik, Daha Az Kargo
Bir Mars inişini büyütmek için bir sonraki fikir daha fazla itici güç kullanmaktır. Teorik olarak, daha fazla yakıt taşıyabilir, Mars'a vardığınızda roketlerinizi ateşleyebilir ve tüm bu hızı iptal edebilirsiniz. Sorun, elbette, yavaşlamak için ne kadar fazla kütleye sahip olmanız gerektiği, aslında Mars'ın yüzeyine inebileceğiniz daha az kütle olmasıdır.
SpaceX Starship'in Mars yüzeyine 100 ton düşmesi için itici bir iniş kullanması bekleniyor. Daha doğrudan ve daha hızlı bir yol izlediği için Starship, Mars atmosferini 8,5 km / s'den daha hızlı vuracak ve daha sonra girişini yavaşlatmak için aerodinamik güçler kullanacak.
Elbette bu kadar hızlı gitmesi gerekmiyor. Yıldız Gemisi, hızı boşaltmak için üst atmosferden birkaç kez geçerek aerobraking kullanabilir. Aslında, Mars'a giden yörüngesel uzay aracının kullandığı yöntem budur.
Ancak daha sonra gemideki yolcuların uzay aracının yavaşlaması ve Mars'ın etrafında yörüngeye girmesi ve daha sonra atmosfer boyunca inmesi için haftalar geçirmesi gerekiyordu.
Elon Musk'a göre, tüm bu ısıyı ele almak için nefis bir şekilde sezgisel olmayan stratejisi, uzay aracını paslanmaz çelikten inşa etmek ve daha sonra kabuktaki küçük delikler, uzay aracının rüzgar tarafını serin tutmak için metan yakıtını kanıyor.
Yeterince hız kazandığında, dönecek, Raptor motorlarını ateşleyecek ve Mars'ın yüzeyine hafifçe inecektir.
Yere Hedefleyin, Son Dakikada Çekin
Uzay aracının Mars yüzeyine inişini yavaşlatmak için kullandığı her kilogram yakıt, yüzeye taşıyamayacağı bir kilogram kargo.
Mars yüzeyine kolayca ağır yükler yükleyecek uygun bir strateji olduğundan emin değilim. Benden daha akıllı insanlar, muazzam miktarda itici kullanmadan bunun imkansız olduğunu düşünüyorlar.
Bununla birlikte, Elon Musk bir yol olduğunu düşünüyor. Fikirlerini indirmeden önce, Falcon Heavy roket ülkesindeki ikiz yan güçlendiricileri birlikte mükemmel bir şekilde izleyelim.
Ve merkezi güçlendiriciye ne olduğuna dikkat etmeyin.
Urbana-Champaign'daki Illinois Üniversitesi Havacılık ve Uzay Bölümü'nden yeni bir araştırma, Mars'a yapılan görevlerin Mars yüzeyine daha yakın olan daha kalın atmosferden yararlanabileceğini öne sürüyor.
Araştırmacılar, “Mars'ta Yüksek Balistik Katsayılı Araçlar için Giriş Yörünge Seçenekleri” başlıklı makalelerinde, Mars'a uçan uzay aracının hızlarından kurtulmak için bu kadar acele etmeleri gerekmediğini öne sürüyorlar.
Uzay aracı atmosferde çığlık attığından, atmosferde yönlendirmek için kullanılabilecek çok sayıda aerodinamik asansör üretebilecektir.
Hesaplamaları yaptılar ve ideal açının uzay aracını doğrudan aşağıya doğru eğmek ve yüzeye doğru dalmak olduğunu buldular. Ardından, mümkün olan en son anda, atmosferin en kalın kısmı boyunca yanlara doğru uçmak için aerodinamik asansörü kullanarak yukarı çekin.
Bu, sürtünmeyi artırır ve iniş motorlarınızı açmadan ve motorlu inişinizi tamamlamadan önce en yüksek hızdan kurtulmanızı sağlar.
Kulağa hoş geliyor.
İnsanlık Mars yüzeyinde yaşanabilir bir gelecek inşa edecekse, bu sorunu çözmemiz gerekecek. Mars'a inişi daha güvenilir ve güvenli hale getiren bir dizi teknoloji ve teknik geliştirmemiz gerekecek.
İnsanların beklediğinden çok daha zor olacağından şüpheleniyorum, ancak önümüzdeki yıllarda test edilecek fikirleri dört gözle bekliyorum.
Nancy Atkinson'a çok teşekkür ederim bu konuyu burada ele aldım on yıldan fazla bir süre önce ve bu video üzerinde çalışmam için bana ilham verdi.
