Det er synd at Mars er et så interessant sted, fordi det faktisk er et af de sværeste steder at besøge i solsystemet, især hvis du vil have en masse bagage med. Den planet er en kirkegård med missioner, der ikke helt klarede den.
Efterhånden som vores ambitioner vokser, og vi tænker på at udforske Mars med mennesker - måske endda fremtidige kolonister - bliver vi nødt til at løse et af de største problemer inden for rumforskning.
Det er virkelig svært at gøre med at lande tunge nyttelast på Mars's overflade.
Der er en masse udfordringer med Mars, herunder dens mangel på en beskyttende magnetosfære og lavere overfladetyngdekraft. Men en af de største er dens tynde atmosfære af kuldioxid.
Hvis du stod på Mars's overflade uden en rumdragt, ville du fryse til døden og kvæle for mangel på ilt. Men du vil også opleve mindre end 1% af det atmosfæriske pres, du nyder her på Jorden.
Og det viser sig, denne tynde atmosfære gør det utroligt udfordrende at få betydelige nyttelast sikkert ned til overfladen af den røde planet. Faktisk har kun 53% af missionerne til Mars faktisk fungeret korrekt.
Så lad os tale om, hvordan missioner til Mars har fungeret i fortiden, og jeg viser dig, hvad problemet er.
At lande på Mars er det værste
Historisk set lanceres missioner til Mars fra Jorden i løbet af flyvinduerne, der åbnes hvert andet år, når Jorden og Mars er tættere på hinanden. ExoMars fløj i 2016, InSight i 2018 og Mars 2020 rover vil flyve ind, ja, 2020.
Opgaverne følger interplanetær overførselsbane, der er designet til enten at komme der hurtigst eller med mindst mulig brændstof.
Når rumfartøjet kommer ind i Mars 'atmosfære, går det titusinder af kilometer i timen. Det må på en eller anden måde miste al den hastighed, inden den lander forsigtigt på overfladen af den røde planet.
Her på Jorden kan du bruge den tykke jordiske atmosfære til at bremse din nedstigning og blødde ud af din hastighed med et varmeskjold. Rumskyttens fliser var designet til at absorbere varmen fra genindtræden, da den 77 ton orbiter gik fra 28.000 km / t til nul.
En lignende teknik kunne bruges på Venus eller Titan, hvor de har tykke atmosfærer.
Månen, uden nogen atmosfære overhovedet, er også relativt ligetil at lande på. Uden atmosfære overhovedet er der ikke behov for et varmeskjold, du bruger bare fremdrift til at bremse din bane og lande på overfladen. Så længe du har med dig nok drivmiddel, kan du klæbe landing.
Tilbage til Mars med et rumfartøj, der kaster sig ind i sin tynde atmosfære med mere end 20.000 kilometer i timen.
Nysgerrighed er grænsen
Traditionelt har missionerne startet deres nedstigning med en aeroshell for at fjerne noget af rumfartøjets hastighed. Den tyngste mission, der nogensinde blev sendt til Mars, var nysgerrighed, som vejede ind på 1 ton eller 2200 pund.
Da den kom ind i den Martiske atmosfære, gik den 5,9 kilometer i sekundet, eller 22.000 kilometer i timen.
Nysgerrighed havde den største aeroshell nogensinde sendt til Mars, måling 4,5 meter på tværs. Denne enorme aeroshell blev vippet i en vinkel, hvilket gjorde det muligt for rumfartøjet at manøvrere, når det rammer den tynde atmosfære af Mars, og sigter mod en bestemt landingszone.
I cirka 131 kilometer højde ville rumfartøjet begynde at skyde thrustere for perfekt at justere banen, når det nærmet sig Mars's overflade.
Cirka 80 sekunders flyvning gennem atmosfæren steg temperaturerne på varmeskjoldet til 2.100 grader celsius. For ikke at smelte brugte varmeskjoldet et specielt materiale kaldet Phenolic Impregnated Carbon Ablator eller PICA. Det samme materiale, SpaceX bruger i øvrigt til sine Dragon Capsules.
Når det havde bremset hastigheden til lavere end Mach 2.2, udsendte rumfartøjet den største faldskærm, der nogensinde er bygget til en mission til Mars - 16 meter på tværs. Denne faldskærm kunne generere 29.000 kg trækkraft og bremse den endnu mere.
Fjederlinierne var lavet af Technora og Kevlar, som stort set er de stærkeste og mest varmebestandige materialer, vi kender til.
Derefter sprøjtede den sin faldskærm og brugte raketmotorer til at bremse dens nedstigning endnu mere. Da det var tæt nok, indsatte Curiosity en skycrane, der sænk roveren forsigtigt ned til overfladen.
Dette er den hurtige version. Hvis du vil have et omfattende overblik over, hvad Curiosity gik gennem landing på Mars, anbefaler jeg stærkt, at du tjekker Emily Lakdawalla's "The Design and Engineering of Curiosity".
Nysgerrigheden vejer kun et ton.
At gå tyngre skaleres ikke
Vil du gøre det samme med tungere nyttelast? Jeg er sikker på, at du forestiller dig større aeroshells, større faldskærme, større skycranes.
I teorien vil SpaceX Starship sende 100 ton kolonister og deres ting til Mars's overflade.
Her er problemet. Metoderne til at decelerere i den Martiske atmosfære skaleres ikke særlig godt.
Lad os starte med faldskærme. For at være ærlig, på 1 ton, er nysgerrigheden omtrent så tung som du kan få ved hjælp af en faldskærm. Enhver tungere, og der er bare ikke materialer, som ingeniører kan bruge, der kan håndtere decelerationsbelastningen.
For et par måneder siden fejrede NASA-ingeniører den vellykkede test af Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment, eller ASPIRE. Dette er faldskærm, der vil blive brugt til Mars 2020-rovermissionen.
De satte faldskærm lavet af avancerede kompositstoffer, som nylon, Technora og Kevlar, på en klingende raket og lancerede den i en højde af 37 kilometer og efterligner de forhold, rumfartøjet vil opleve, når det ankommer til Mars.
Faldskærmen indsat i en brøkdel af et sekund og fuldt oppustet oplevede 32.000 kg styrke. Hvis du var om bord på det tidspunkt, ville du opleve 3,6 gange så meget kraft som styrt ned i en mur, der går 100 km / t med din sikkerhedssele. Med andre ord, du ville ikke overleve.
Hvis rumfartøjet var noget tungere, skulle det være lavet af umulige kompositstoffer. Og glem passagererne.
NASA har prøvet forskellige ideer til at lande tungere nyttelast på Mars, ligesom så meget som 3 ton.
En idé kaldes Low-Density Supersonic Decelerator, eller LDSD. Ideen er at bruge en meget større aerodynamisk decelerator, som ville puste rundt i rumfartøjet som et hoppeslott, når det kommer ind i Mars-tyngdekraften.
I 2015 testede NASA faktisk denne teknologi med et prototype på en ballon i en højde af 36 kilometer. Køretøjet affyrede derefter sin solide raket og transporterede den til en højde af 55 kilometer.
Da den rakede opad, blæste den sin Supersonic oppustelige aerodynamiske decelerator til en diameter på 6 meter (eller 20 fod), som derefter bremsede den tilbage til Mach 2.4. Desværre kunne dens faldskærm ikke implementeres korrekt, så den styrtede ned i Stillehavet.
Det er fremskridt. Hvis de rent faktisk kan udføre teknik og fysik, kunne vi en dag se 3 ton rumfartøj lande på Mars's overflade. Tre hele tons.
Mere fremdrift, mindre last
Den næste idé at opskalere en Mars-landing er at bruge mere fremdrift. I teorien kan du bare bære mere brændstof, skyde dine raketter, når du ankommer til Mars og annullere al den hastighed. Problemet er naturligvis, at jo mere masse du er nødt til at bære for at decelerere, jo mindre masse kan du faktisk lande på Mars's overflade.
SpaceX Starship forventes at bruge en fremdrivende landing for at komme 100 ton ned til Mars's overflade. Fordi det tager en mere direkte, hurtigere sti, vil Starship ramme den Martiske atmosfære hurtigere end 8,5 km / s og derefter bruge aerodynamiske kræfter til at bremse dens indtræden.
Det behøver naturligvis ikke gå så hurtigt. Starship kunne bruge aerobraking, der passerede gennem den øvre atmosfære flere gange for at bløde hastigheden. Faktisk er dette metoden, som orbitale rumfartøjer, der skal til Mars, bruger.
Men så skulle passagererne om bord bruge uger på, at rumfartøjet bremser ned og går ind i kredsløb omkring Mars og derefter ned ad atmosfæren.
Ifølge Elon Musk er hans dejligt uintuitive strategi til at håndtere al den varme at bygge rumfartøjet ud af rustfrit stål, og derefter vil små huller i skallen udtømme metanbrændstof ud for at holde rumvindens side sval.
Når det kaster hastighed nok, drejer det, fyrer sine Raptor-motorer og lander forsigtigt på Mars's overflade.
Sigt på jorden, træk op i sidste øjeblik
Hvert kilo brændstof, som rumfartøjet bruger til at bremse sin nedstigning til Mars's overflade, er et kilo last, som det ikke kan bære til overfladen.
Jeg er ikke sikker på, at der er nogen levedygtig strategi, der let vil lande tunge nyttelast på Mars's overflade. Smartere mennesker end mig synes det er temmelig umuligt uden at bruge enorme mængder drivmiddel.
Når det er sagt, mener Elon Musk, at der er en måde. Og før vi rabatter på hans ideer, så lad os se de to sides boosters fra Falcon Heavy raket lande perfekt sammen.
Og vær ikke opmærksom på, hvad der skete med den centrale booster.
En ny undersøgelse fra Aerospace Department ved University of Illinois i Urbana-Champaign foreslår, at missioner til Mars kunne drage fordel af den tykkere atmosfære, der er tættere på Mars's overflade.
I deres artikel med titlen ”Indtastningsbanemuligheder for køretøjer med høj ballistisk koefficient på Mars” foreslår forskerne, at rumfartøjer, der flyver til Mars, ikke behøver at have travlt med at slippe af med deres hastighed.
Når rumfartøjet skrig gennem atmosfæren, vil det stadig være i stand til at generere en masse aerodynamisk lift, som kunne bruges til at styre det gennem atmosfæren.
De kørte beregningerne og fandt, at den ideelle vinkel var bare at rette rumfartøjet lige ned og dykke mod overfladen. Derefter på det sidste mulige øjeblik trækkes op ved hjælp af den aerodynamiske lift til at flyve sidelæns gennem den tykkeste del af atmosfæren.
Dette øger trækningen og giver dig mulighed for at slippe af med mest mulig hastighed, før du tænder for dine afstamningsmotorer og afslutter din drevne landing.
Det lyder, um, sjovt.
Hvis menneskeheden vil opbygge en levedygtig fremtid på Mars's overflade, bliver vi nødt til at knække dette problem. Vi bliver nødt til at udvikle en række teknologier og teknikker, der gør landing på Mars mere pålidelig og sikker.
Jeg formoder, at det vil være meget mere udfordrende, end folk forventer, men jeg ser frem til de ideer, der vil blive testet i de kommende år.
En stor tak til Nancy Atkinson der dækkede dette emne her på Space Magazine for mere end et årti siden, og inspirerede mig til at arbejde på denne video.
