חבל שמאדים זה מקום כל כך מעניין, כי זה למעשה אחד המקומות הקשים ביותר לבקר במערכת השמש, במיוחד אם אתה רוצה להביא הרבה מזוודות. הכוכב ההוא הוא בית קברות של משימות שלא ממש הצליחו להגיע אליו.
ככל שהשאיפות שלנו גדלות ואנחנו חושבים לחקור את מאדים עם בני אדם - אולי אפילו קולוניסטים עתידיים - נצטרך לפתור את אחת הבעיות הגדולות ביותר בחקר החלל.
בהצלחה בנחיתה של משאות כבדים גדולים על פני מאדים זה ממש קשה לעשות.
ישנם שלל אתגרים עם מאדים, כולל היעדר מגנטוספירה מגנה וכוח הכבידה התחתון. אבל אחד הגדולים שבהם הוא האווירה הדקה של פחמן דו חמצני.
אם הייתם עומדים על פני מאדים ללא חלל, הייתם קופאים למוות ומייחסים מחוסר חמצן. אבל אתה גם תחווה פחות מ- 1% מהלחץ האטמוספרי שאתה נהנה כאן על כדור הארץ.
ומתברר, האווירה הדקה הזו הופכת אתגרה להפליא להוריד מטענים משמעותיים בבטחה אל פני כדור הארץ האדום. למעשה, רק 53% מהמשימות למאדים למעשה הסתדרו כמו שצריך.
אז בואו נדבר על איך המשימות למאדים עבדו בעבר, ואני אראה לך מה הבעיה.
הנחיתה על מאדים היא הגרועה ביותר
מבחינה היסטורית משימות למאדים משוגרות מכדור הארץ במהלך חלונות הטיסה שנפתחים כל שנתיים בערך כאשר כדור הארץ ומאדים קרובים זה לזה. ExoMars טס בשנת 2016, InSight בשנת 2018 והרובר מאדים 2020 יטוס פנימה, ובכן, 2020.
המשימות עוקבות אחר מסלול העברה בין-פלנטרי שנועד להגיע לשם הכי מהר, או עם כמות הדלק הכי פחותה.
כאשר החללית נכנסת לאטמוספירה של מאדים, היא עוברת עשרות אלפי קילומטרים לשעה. עליו איכשהו לאבד את כל המהירות הזו לפני שהוא נוחת בעדינות על פני כדור הארץ האדום.
כאן על כדור הארץ, תוכלו להשתמש באטמוספירה האדמתית העבה כדי להאט את ירידתכם, לדמם את מהירותכם באמצעות מגן חום. אריחי מעבורת החלל נועדו לספוג את חום הכניסה המחודש, שכן מסלול המסלול של 77 טון עבר מ 28,000 קמ"ש לאפס.
ניתן להשתמש בטכניקה דומה בוונוס או בטיטאן, שם יש להם אטמוספרות עבות.
הירח, ללא אווירה בכלל, יחסית פשוט יחסית לנחיתה עליו. בלי אווירה בכלל, אין צורך במגן חום, אתה פשוט משתמש בהנעה כדי להאט את מסלולך ולנחות על פני השטח. כל עוד אתה מביא מספיק דלק, אתה יכול לתקוע את הנחיתה.
חזרה למאדים, עם חללית שופכת לאטמוספירה הדקה שלה ביותר מ- 20,000 קמ"ש.
הסקרנות היא הגבול
באופן מסורתי, המשימות החלו את ירידתן בעזרת מטוס אוויר כדי להסיר חלק ממהירות החללית. המשימה הכבדה ביותר שנשלחה אי פעם למאדים הייתה סקרנות, ששקלה 1 טון מטרי, או 2,200 פאונד.
כשנכנס לאווירה של מאדים, הוא הלך 5.9 ק"מ בשנייה, או 22,000 ק"מ בשעה.
בסקרנות היה האוירושל הגדול ביותר שנשלח אי פעם למאדים, בגודל 4.5 מטרים. אווירוסל ענקי זה הוטה בזווית, ומאפשר לחללית לתמרן כשהוא פוגע באטמוספירה הדקה של מאדים, מכוון לאזור נחיתה ספציפי.
בגובה של כ 131 ק"מ, החללית הייתה מתחילה לירות דחפים כדי להתאים את מסלול התנועה בצורה מושלמת כשהיא מתקרבת לפני שטח מאדים.
בערך 80 שניות של טיסה באטמוספרה, הטמפרטורות במגן החום עלו ל -2,100 מעלות צלזיוס. כדי לא להמיס השתמש במגן החום בחומר מיוחד שנקרא Phenolic Impregnated Carbon Ablator, או PICA. אותו חומר ש- SpaceX משתמש בכמוסות הדרקון שלו, אגב.
לאחר שהאט את מהירותו למטה ממאץ '2.2, פרסה החללית את המצנח הגדול ביותר שנבנה אי פעם למשימה למאדים - 16 מטר רוחב. מצנח זה יכול לייצר 29,000 קילוגרם של כוח גרור, ולהאט אותו עוד יותר.
קווי המתלה היו עשויים טכנוורה וקבלר, שהם פחות או יותר החומרים החזקים ועמידים ביותר לחום שאנחנו מכירים.
אחר כך קטע את המצנח שלו והשתמש במנועי טילים כדי להאט עוד יותר את ירידתו. כשהיה מספיק קרוב, פרסה סקרנות סקייקרנה שהורידה את הכוכב בעדינות אל פני השטח.
זו הגרסה המהירה. אם אתה רוצה סקירה נרחבת של מה שעבר הסקרנות בנחיתה במאדים, אני ממליץ לך לבדוק את "העיצוב וההנדסה של סקרנות" של אמילי לקדוואלה.
הסקרנות שקלה רק טון אחד.
הולך יותר כבד לא קנה מידה
רוצים לעשות את אותו הדבר עם עומסים כבדים יותר? אני בטוח שאתה מדמיין פגזי אוויר גדולים יותר, מצנחים גדולים יותר, סקייקרנים גדולים יותר.
להלכה, ספינת החלל SpaceX תשלח 100 טונות של קולוניסטים ואת החפצים שלהם אל פני מאדים.
הנה הבעיה. שיטות ההאטה באטמוספירה של מאדים אינן מתרחשות בצורה טובה במיוחד.
ראשית, נתחיל בצניחות. אם להיות כנה, בסכום של 1 טון, הסקרנות היא כבדה ככל שתוכל להשיג באמצעות מצנח. כל כבד יותר ואין פשוט מהנדסי חומרים שיכולים להשתמש בעומס ההאטה.
לפני כמה חודשים חגגו מהנדסי נאס"א את המבחן המוצלח של הניסוי המחקר Advanced אינפוזיציה של הצניחה Supersonic, או ASPIRE. זהו המצנח שישמש למשימת רובר 2020.
הם הניחו את המצנח העשוי מבדים מורכבים מתקדמים, כמו ניילון, טכנורה וקבלר, על רקטה נשמעת ושגרו אותו לגובה של 37 ק"מ, וחיקו את התנאים שחללית תחווה בעת הגעה למאדים.
המצנח שנפרס בשבריר שנייה והתנפח במלואו חווה 32,000 קילוגרם כוח. אם הייתם על הסיפון באותה תקופה הייתם חווים כוח גדול פי 3.6 מאשר מתנגשים בקיר שעומד 100 קמ"ש כשהוא חובש את חגורת הבטיחות שלך. במילים אחרות, לא היית שורד.
אם החללית הייתה כבדה יותר, היא הייתה צריכה להיות עשויה מבדים מורכבים בלתי אפשריים. ושכח מהנוסעים.
נאס"א ניסתה רעיונות שונים להנחת עומסים כבדים יותר על מאדים, כמו 3 טונות.
רעיון אחד נקרא decelerator low-density supersonic, או LDSD. הרעיון הוא להשתמש במאיץ אווירודינמי גדול בהרבה, שיתנפח סביב החללית כמו טירה קופצנית כשנכנס לכוח הכבידה של המאדים.
בשנת 2015, נאס"א בדקה למעשה את הטכנולוגיה הזו, כשהיא נושאת רכב אב-טיפוס על בלון לגובה של 36 ק"מ. לאחר מכן ירה הרכב את הרקטה המוצקה שלו, נושא אותו לגובה של 55 ק"מ.
כשהוא מתנדנד כלפי מעלה, הוא ניפח את האוויר האודיודינמי המתנפח העל-קולי שלו לקוטר של 6 מטר (או 20 רגל), ואז האט אותו בחזרה למאץ '2.4. לרוע המזל המצנח שלו לא הצליח להתפרס כראוי, ולכן הוא התרסק באוקיאנוס השקט.
זו התקדמות. אם הם באמת יכולים לחשב את ההנדסה והפיזיקה, נוכל לראות ביום מן הימים חללית של 3 טון נוחתת על פני מאדים. שלוש טונות שלמות.
יותר הנעה, פחות מטען
הרעיון הבא לגדול נחיתת מאדים הוא להשתמש בהנעה רבה יותר. בתיאוריה, אתה יכול פשוט לשאת יותר דלק, לירות את הרקטות שלך כשאתה מגיע למאדים ולבטל את כל המהירות הזו. הבעיה היא כמובן שככל שתצטרך לשאת מסה רבה יותר כדי להאט, כך תוכל פחות לנחות על פני מאדים.
ספינת החלל SpaceX צפויה להשתמש בנחיתת הנעה כדי לרדת 100 טונות אל פני מאדים. מכיוון שהיא נוקטת דרך ישירה ומהירה יותר, ספינת הכוכבים תפגע באטמוספירה של מאדים מהר יותר מ 8.5 קמ"ש ואז תשתמש בכוחות אווירודינמיים כדי להאט את כניסתה.
זה כמובן לא צריך לעבור כל כך מהר. ספינת החלל הייתה יכולה להשתמש במכוניות אווירוביות, עוברת באטמוספירה העליונה מספר פעמים כדי לדמם את המהירות. למען האמת, זו השיטה שחלליות מסלוליות שהולכות למאדים משתמשות.
אבל אז הנוסעים שהיו על הסיפון יצטרכו להקדיש שבועות לחללית כדי להאט ולהיכנס למסלול סביב מאדים, ואז לרדת דרך האווירה.
לדברי אלון מאסק, האסטרטגיה הבלתי אינטואיטיבית שלו להפליא לטפל בכל החום הזה היא לבנות את החללית מפלדת אל חלד ואז חורים זעירים במעטפת יפיגו דלק מתאן החוצה כדי לשמור על קירור הצד הקדמי של החללית.
ברגע שהוא משיל מספיק מהירות, הוא יסתובב, יורה במנועי הראפטור שלו ונחת בעדינות על פני מאדים.
כוון לקרקע, המשך ברגע האחרון
כל קילוגרם דלק שהחללית משתמשת בה כדי להאט את ירידתה לפני השטח של מאדים הוא קילוגרם מטען שהוא לא יכול לשאת אל פני השטח.
אני לא בטוח שיש אסטרטגיה קיימא שתנחת בקלות עומסים כבדים על פני מאדים. אנשים חכמים ממני חושבים שזה די בלתי אפשרי בלי להשתמש בכמויות אדירות של דחף.
עם זאת, אלון מאסק חושב שיש דרך. לפני שננכה את רעיונותיו, בואו נצפה במאיץ הצדדים התאומים מרקטת הפלקון הכבדה יחד יחד.
ואל תשומת לב למה שקרה למאיץ המרכזי.
מחקר חדש שנערך על ידי מחלקת תעופה וחלל באוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין מציע שמשימות למאדים עשויות לנצל את האווירה העבה יותר הקרובה יותר לפני השטח של מאדים.
במאמרם שכותרתו, "אפשרויות מסלול כניסה לרכבים מקדמים בליסטיים גבוהים במאדים", החוקרים מציעים שחלליות שטסות למאדים לא צריכות להיות ממהרות להיפטר ממהירותן.
כאשר החללית זועקת דרך האטמוספרה, היא עדיין תוכל לייצר הרבה מעלית אווירודינמית, שאפשר להשתמש בה כדי להעביר אותה דרך האטמוספרה.
הם ערכו את החישובים וגילו שהזווית האידיאלית היא פשוט לכוון את החללית ישר למטה ולצלול לעבר פני השטח. ואז, ברגע האחרון האפשרי, המשך באמצעות המעלית האווירודינמית כדי לטוס לצדדים דרך החלק העבה ביותר של האטמוספירה.
זה מגביר את הגרירה ומאפשר לך להיפטר מכמות המהירות הגדולה ביותר לפני שתדליק את מנועי הירידה שלך ותשלים את הנחיתה המופעלת.
זה נשמע, אממ, כיף.
אם האנושות עתידה לבנות עתיד בר-קיימא על פני מאדים, אנו נצטרך לפצח את הבעיה הזו. עלינו לפתח סדרה של טכנולוגיות וטכניקות שהופכות את הנחיתה במאדים לאמינה ובטוחה יותר.
אני חושד שזה הולך להיות הרבה יותר מאתגר ממה שאנשים מצפים, אבל אני מצפה לרעיונות שייבחנו בשנים הקרובות.
תודה גדולה לננסי אטקינסון מי כיסה נושא זה כאן במגזין החלל לפני למעלה מעשור, והעניק לי השראה לעבוד על הסרטון הזה.
