Het is jammer dat Mars zo'n interessante plek is, omdat het eigenlijk een van de moeilijkste plekken in het zonnestelsel is om te bezoeken, vooral als je veel bagage wilt meenemen. Die planeet is een kerkhof van missies die het niet helemaal hebben gehaald.
Naarmate onze ambities groeien en we erover nadenken om Mars met mensen te verkennen - misschien zelfs toekomstige kolonisten -, zullen we een van de grootste problemen bij ruimteverkenning moeten oplossen.
Het met succes landen van zware ladingen op het oppervlak van Mars is echt heel moeilijk.
Er zijn een heleboel uitdagingen met Mars, waaronder het ontbreken van een beschermende magnetosfeer en een lagere zwaartekracht. Maar een van de grootste is de dunne atmosfeer van kooldioxide.
Als je op het oppervlak van Mars stond zonder een ruimtepak, zou je doodvriezen en verstikken door een gebrek aan zuurstof. Maar je zou ook minder dan 1% van de atmosferische druk ervaren die je hier op aarde geniet.
En het blijkt dat deze dunne atmosfeer het ongelooflijk moeilijk maakt om aanzienlijke ladingen veilig naar de oppervlakte van de Rode Planeet te krijgen. In feite is slechts 53% van de missies naar Mars daadwerkelijk 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.
Landing op Mars is het ergste
Historisch gezien worden missies naar Mars vanaf de aarde gelanceerd tijdens de vluchtvensters die ongeveer om de twee jaar worden geopend wanneer de aarde en Mars dichter bij elkaar staan. ExoMars vloog in 2016, InSight in 2018 en de Mars 2020-rover zal vliegen, nou ja, 2020.
De missies volgen een interplanetair transfertraject dat is ontworpen om ofwel de snelste te bereiken, ofwel met de minste hoeveelheid brandstof.
Terwijl het ruimtevaartuig de atmosfeer van Mars binnenkomt, gaat het tienduizenden kilometers per uur. Het moet op de een of andere manier al die snelheid verliezen voordat het zachtjes op het oppervlak van de Rode Planeet landt.
Hier op aarde kun je de dikke aardse atmosfeer gebruiken om je afdaling te vertragen en je snelheid af te blazen met een hitteschild. De tegels van de spaceshuttle zijn ontworpen om de hitte van terugkomst te absorberen, aangezien de orbiter van 77 ton van 28.000 km / u naar nul ging.
Een vergelijkbare techniek zou kunnen worden gebruikt op Venus of Titan, waar ze een dikke atmosfeer hebben.
De maan, zonder enige atmosfeer, is ook relatief eenvoudig om op te landen. Zonder enige atmosfeer is er geen hitteschild nodig, je gebruikt alleen voortstuwing om je baan te vertragen en op het oppervlak te landen. Zolang je voldoende drijfgas meeneemt, kun je de landing vasthouden.
Terug naar Mars, met een ruimtevaartuig dat met meer dan 20.000 kilometer per uur in zijn dunne atmosfeer suist.
Nieuwsgierigheid is de limiet
Traditioneel zijn missies hun afdaling begonnen met een aeroshell om een deel van de snelheid van het ruimtevaartuig te verwijderen. De zwaarste missie die ooit naar Mars werd gestuurd, was Curiosity, dat 1 ton woog, of 2200 pond.
Toen het in de atmosfeer van Mars kwam, ging het 5,9 kilometer per seconde, of 22.000 kilometer per uur.
Curiosity had de grootste aeroshell ooit naar Mars gestuurd, met een doorsnede van 4,5 meter. Deze enorme aeroshell was schuin gekanteld, waardoor het ruimtevaartuig kon manoeuvreren terwijl het de dunne atmosfeer van Mars raakt en op een specifieke landingszone mikte.
Op ongeveer 131 kilometer hoogte zou het ruimtevaartuig beginnen met het afvuren van stuwraketten om het traject perfect aan te passen toen het het oppervlak van Mars naderde.
Ongeveer 80 seconden vlucht door de atmosfeer, de temperaturen op het hitteschild stegen tot 2100 graden Celsius. Om niet te smelten, gebruikte het hitteschild een speciaal materiaal genaamd Phenolic Impregnated Carbon Ablator of PICA. Hetzelfde materiaal dat SpaceX trouwens gebruikt voor zijn Dragon Capsules.
Nadat het ruimtevaartuig de snelheid had verlaagd tot lager dan Mach 2.2, zette het de grootste parachute in die ooit was gebouwd voor een missie naar Mars - 16 meter breed. Deze parachute kan 29.000 kilogram trekkracht genereren, waardoor hij nog meer wordt vertraagd.
De ophanglijnen zijn gemaakt van Technora en Kevlar, dat zijn vrijwel de sterkste en meest hittebestendige materialen die we kennen.
Vervolgens gooide het zijn parachute weg en gebruikte raketmotoren om zijn afdaling nog meer te vertragen. Toen het dichtbij genoeg was, zette Curiosity een skycrane in die de rover voorzichtig naar de oppervlakte liet zakken.
Dit is de snelle versie. Als je een uitgebreid overzicht wilt van wat Curiosity heeft meegemaakt tijdens de landing op Mars, raad ik je ten zeerste aan om Emily Lakdawalla's "The Design and Engineering of Curiosity" te bekijken.
De nieuwsgierigheid woog maar één ton.
Zwaarder gaan wordt niet geschaald
Wilt u hetzelfde doen met zwaardere ladingen? Ik weet zeker dat je je grotere aeroshells, grotere parachutes, grotere skycranes voorstelt.
In theorie stuurt het SpaceX-ruimteschip 100 ton kolonisten en hun spullen naar de oppervlakte van Mars.
Hier is het probleem. De methoden om te vertragen in de atmosfeer van Mars schalen niet erg goed op.
Laten we eerst beginnen met parachutes. Om eerlijk te zijn, Curiosity is met 1 ton ongeveer zo zwaar als je kunt krijgen met een parachute. Zwaarder en er zijn gewoon geen materialen die ingenieurs kunnen gebruiken die de vertragingsbelasting aankunnen.
Een paar maanden geleden vierden NASA-ingenieurs de succesvolle test van het Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment of ASPIRE. Dit is de parachute die zal worden gebruikt voor de Mars 2020-rovermissie.
Ze plaatsten de parachute gemaakt van geavanceerde composietweefsels, zoals nylon, Technora en Kevlar, op een klinkende raket en lanceerden hem op een hoogte van 37 kilometer, in navolging van de omstandigheden die het ruimtevaartuig zal ervaren bij aankomst op Mars.
De parachute werd in een fractie van een seconde ingezet en was volledig opgeblazen met 32.000 kilo kracht. Als je toen aan boord was, zou je 3,6 keer zoveel kracht ervaren als tegen een muur botsen met een snelheid van 100 km / u terwijl je je veiligheidsgordel draagt. Met andere woorden, je zou het niet overleven.
Als het ruimtevaartuig zwaarder was, zou het gemaakt moeten zijn van onmogelijke composietstoffen. En vergeet de passagiers.
NASA heeft verschillende ideeën uitgeprobeerd om zwaardere ladingen op Mars te landen, zoals wel 3 ton.
Een idee wordt de Low-Density Supersonic Decelerator of LDSD genoemd. Het idee is om een veel grotere aerodynamische vertrager te gebruiken die rond het ruimtevaartuig zou opblazen als een springkasteel als het de zwaartekracht van Mars binnenkomt.
In 2015 heeft NASA deze technologie daadwerkelijk getest door een prototype van een voertuig op een ballon naar een hoogte van 36 kilometer te vervoeren. Het voertuig vuurde vervolgens zijn stevige raket af en bracht deze naar een hoogte van 55 kilometer.
Terwijl het omhoog schoot, blaasde het zijn Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator op tot een diameter van 6 meter (of 20 voet), waardoor het weer vertraagde tot Mach 2.4. Helaas kon zijn parachute niet goed worden ingezet, dus stortte hij neer in de Stille Oceaan.
Dat is vooruitgang. Als ze de techniek en de fysica daadwerkelijk kunnen uitwerken, zouden we ooit een ruimtevaartuig van 3 ton kunnen zien landen op het oppervlak van Mars. Drie hele ton.
Meer voortstuwing, minder lading
Het volgende idee om een landing op Mars op te schalen is om meer voortstuwing te gebruiken. In theorie kun je gewoon meer brandstof vervoeren, je raketten afvuren wanneer je op Mars aankomt en al die snelheid annuleren. Het probleem is natuurlijk dat hoe meer massa je moet dragen om te vertragen, hoe minder massa je daadwerkelijk op het oppervlak van Mars kunt landen.
Het SpaceX-ruimteschip zal naar verwachting een voortstuwende landing gebruiken om 100 ton naar de oppervlakte van Mars te brengen. Omdat het een directer, sneller pad volgt, zal het ruimteschip de atmosfeer van Mars sneller dan 8,5 km / s raken en vervolgens aerodynamische krachten gebruiken om zijn binnenkomst te vertragen.
Zo snel hoeft het natuurlijk niet te gaan. Het ruimteschip kan aerobraking gebruiken en meerdere keren door de bovenste atmosfeer passeren om de snelheid af te tappen. In feite is dit de methode die ruimteschepen gebruiken die naar Mars gaan.
Maar dan zouden passagiers aan boord weken moeten doorbrengen voordat het ruimtevaartuig vertraagt en in een baan rond Mars gaat en vervolgens door de atmosfeer afdaalt.
Volgens Elon Musk is zijn verrukkelijke, niet-intuïtieve strategie om al die hitte aan te pakken, om het ruimtevaartuig uit roestvrij staal te bouwen, en dan zullen kleine gaatjes in de schaal methaanbrandstof aflaten om de windzijde van het ruimtevaartuig koel te houden.
Zodra het voldoende snelheid heeft afgeworpen, zal het draaien, zijn Raptor-motoren afvuren en zachtjes op het oppervlak van Mars landen.
Richt op de grond, trek op het laatste moment omhoog
Elke kilogram brandstof die het ruimtevaartuig gebruikt om zijn afdaling naar het oppervlak van Mars te vertragen, is een kilo vracht die hij niet naar de oppervlakte kan dragen.
Ik weet niet zeker of er een haalbare 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, denkt Elon Musk dat er een manier is. En voordat we zijn ideeën negeren, laten we de twin side boosters van de Falcon Heavy-raket perfect samen zien landen.
En let niet op wat er met de centrale booster is gebeurd.
Een nieuwe studie van de Aerospace Department van de University of Illinois in Urbana-Champaign suggereert 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', stellen de onderzoekers voor dat ruimtevaartuigen die naar Mars vliegen niet zo'n haast hoeven te hebben om van hun snelheid af te komen.
Terwijl het ruimtevaartuig door de atmosfeer schreeuwt, kan het nog steeds veel aerodynamische lift genereren, die kan worden gebruikt om het door de atmosfeer te sturen.
Ze voerden de berekeningen uit en ontdekten dat de ideale hoek was om het ruimtevaartuig gewoon recht naar beneden te richten en naar de oppervlakte te duiken. Trek dan op het laatst mogelijke moment omhoog met behulp van de aerodynamische lift om zijwaarts door het dikste deel van de atmosfeer te vliegen.
Dit verhoogt de weerstand en laat je de meeste snelheid kwijtraken voordat je je afdalingsmotoren aanzet en je krachtige landing voltooit.
Dat klinkt leuk.
Als de mensheid een levensvatbare toekomst op het oppervlak van Mars gaat bouwen, zullen we 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 veel uitdagender zal zijn dan mensen verwachten, maar ik kijk uit naar de ideeën die de komende jaren zullen worden getest.
Hartelijk dank aan Nancy Atkinson die behandelde dit onderwerp hier op Space Magazine meer dan een decennium geleden, en inspireerde me om aan deze video te werken.
