ความท้าทายอย่างไม่น่าเชื่อของการบรรทุกลงจอดอย่างหนักบนดาวอังคาร

มันแย่มากที่ดาวอังคารเป็นสถานที่ที่น่าสนใจเพราะจริงๆแล้วเป็นหนึ่งในสถานที่ที่ยากที่สุดในการเข้าชมในระบบสุริยะโดยเฉพาะถ้าคุณต้องการนำกระเป๋าเดินทางจำนวนมากมาด้วย ดาวเคราะห์ดวงนั้นเป็นสุสานของภารกิจที่ไม่สามารถทำได้

เมื่อความทะเยอทะยานของเราเติบโตและเราคิดถึงการสำรวจดาวอังคารกับมนุษย์ - อาจเป็นอาณานิคมในอนาคต - เราจะต้องแก้ปัญหาที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในการสำรวจอวกาศ

การประสบความสำเร็จในการลงจอดของบรรทุกหนักบนพื้นผิวดาวอังคารนั้นยากมากที่จะทำ

มีความท้าทายมากมายกับดาวอังคารรวมถึงการขาดสนามแม่เหล็กป้องกันและแรงโน้มถ่วงพื้นผิวที่ต่ำลง แต่ที่ใหญ่ที่สุดแห่งหนึ่งคือบรรยากาศบางเบาของคาร์บอนไดออกไซด์

หากคุณกำลังยืนอยู่บนพื้นผิวของดาวอังคารโดยไม่มีช่องว่างคุณจะต้องตายและขาดอากาศหายใจเนื่องจากขาดออกซิเจน แต่คุณจะได้สัมผัสกับแรงกดดันบรรยากาศน้อยกว่า 1% ที่คุณสนุกกับที่นี่บนโลก

และปรากฎว่าบรรยากาศบาง ๆ นี้ทำให้ท้าทายอย่างไม่น่าเชื่อที่จะรับน้ำหนักบรรทุกที่สำคัญลงสู่พื้นผิวของดาวเคราะห์สีแดงอย่างปลอดภัย ในความเป็นจริงมีเพียง 53% ของภารกิจสู่ดาวอังคารเท่านั้นที่ทำงานได้อย่างถูกต้อง

ดังนั้นให้พูดคุยเกี่ยวกับวิธีการทำงานของดาวอังคารในอดีตและฉันจะแสดงให้คุณเห็นว่าปัญหาคืออะไร

การลงจอดบนดาวอังคารเป็นสิ่งที่เลวร้ายที่สุด

ในอดีตภารกิจสู่ดาวอังคารได้รับการเปิดตัวจากโลกในช่วงหน้าต่างการบินที่เปิดขึ้นทุกสองปีหรือมากกว่านั้นเมื่อโลกและดาวอังคารอยู่ใกล้กันมากขึ้น ExoMars บินไปในปี 2559 InSight ในปี 2018 และรถแลนด์โรเวอร์ Mars 2020 จะบินได้ในปี 2020

ภารกิจตามวิถีการถ่ายโอนระหว่างดาวเคราะห์ที่ออกแบบมาเพื่อไปที่นั่นให้เร็วที่สุดหรือด้วยน้ำมันเชื้อเพลิงจำนวนน้อยที่สุด

เมื่อยานอวกาศเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของดาวอังคารมันจะไปหลายหมื่นกิโลเมตรต่อชั่วโมง มันจะต้องสูญเสียความเร็วทั้งหมดก่อนที่จะร่อนลงบนพื้นผิวของดาวเคราะห์แดงอย่างอ่อนโยน

บนโลกใบนี้คุณสามารถใช้บรรยากาศ Earthican หนา ๆ เพื่อชะลอการตกเลือดของคุณด้วยโล่ป้องกันความร้อน กระเบื้องของกระสวยอวกาศได้รับการออกแบบมาเพื่อดูดซับความร้อนของการกลับเข้ามาใหม่เนื่องจากยานอวกาศ 77 ตันเปลี่ยนจาก 28,000 กม. / ชม. เป็นศูนย์

เทคนิคที่คล้ายคลึงกันนี้สามารถใช้ได้กับดาวศุกร์หรือไททันที่ซึ่งมีชั้นบรรยากาศหนา

ดวงจันทร์ที่ไม่มีบรรยากาศใด ๆ เลยก็ค่อนข้างจะตรงไปตรงมาเช่นกัน ไม่มีบรรยากาศใด ๆ เลยคุณไม่จำเป็นต้องใช้แผงป้องกันความร้อนคุณเพียงแค่ใช้แรงขับเพื่อทำให้วงโคจรและพื้นดินของคุณช้าลง ตราบใดที่คุณมีจรวดมากพอคุณก็สามารถลงจอดได้

กลับไปยังดาวอังคารด้วยยานอวกาศพุ่งเข้าหาบรรยากาศที่บางกว่า 20,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

ความอยากรู้คือขีด จำกัด

ตามเนื้อผ้าภารกิจได้เริ่มการสืบเชื้อสายของพวกเขาด้วย aeroshell เพื่อกำจัดความเร็วของยานอวกาศ ภารกิจที่หนักที่สุดที่เคยส่งมายังดาวอังคารคือความอยากรู้อยากเห็นซึ่งชั่งน้ำหนัก 1 เมตริกตันหรือ 2,200 ปอนด์

เมื่อมันเข้าสู่ชั้นบรรยากาศดาวอังคารมันจะไป 5.9 กิโลเมตรต่อวินาทีหรือ 22,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

อยากรู้อยากเห็นมี aeroshell ที่ใหญ่ที่สุดที่เคยส่งไปยังดาวอังคารซึ่งวัดได้ 4.5 เมตร Aeroshell ขนาดใหญ่นี้เอียงเป็นมุมทำให้ยานอวกาศสามารถเคลื่อนที่ได้ในขณะที่มันกระทบกับบรรยากาศบาง ๆ ของดาวอังคารโดยมีจุดมุ่งหมายสำหรับโซนลงจอดที่เฉพาะเจาะจง

ที่ระดับความสูงประมาณ 131 กิโลเมตรยานอวกาศจะเริ่มยิงทรัสเตอร์เพื่อปรับเส้นทางการเคลื่อนที่เมื่อเข้าหาพื้นผิวดาวอังคาร

ประมาณ 80 วินาทีของการบินผ่านชั้นบรรยากาศอุณหภูมิบนตัวป้องกันความร้อนเพิ่มขึ้นเป็น 2,100 องศาเซลเซียส เพื่อไม่ให้ละลายแผ่นป้องกันความร้อนใช้วัสดุพิเศษที่เรียกว่า Phenolic Impregnated Carbon Ablator หรือ PICA วัสดุเดียวกัน SpaceX ใช้สำหรับ Dragon Capsules โดยวิธีการ

เมื่อมันชะลอความเร็วของมันไปที่ต่ำกว่า Mach 2.2 ยานอวกาศได้นำร่มชูชีพที่ใหญ่ที่สุดที่เคยสร้างมาเพื่อทำภารกิจสู่ดาวอังคาร - 16 เมตรข้าม ร่มชูชีพนี้สามารถสร้างแรงลากได้ 29,000 กิโลกรัมทำให้ช้าลงมากยิ่งขึ้น

สายกันสะเทือนทำจากเทคราร่าและเคฟลาร์ซึ่งเป็นวัสดุที่แข็งแกร่งและทนความร้อนที่สุดที่เรารู้จัก

จากนั้นมันก็พ่นร่มชูชีพและใช้เครื่องยนต์จรวดเพื่อลดความเร็วลง เมื่อมันใกล้พออยากรู้อยากเห็นปรับใช้ skycrane ที่ลดรถแลนด์โรเวอร์ลงเบา ๆ กับพื้นผิว

นี่เป็นเวอร์ชั่นด่วน หากคุณต้องการภาพรวมที่ครอบคลุมเกี่ยวกับสิ่งที่อยากรู้อยากเห็นผ่านการลงจอดบนดาวอังคารฉันขอแนะนำให้คุณตรวจสอบ "การออกแบบและวิศวกรรมแห่งความอยากรู้" ของ Emily Lakdawalla

ความอยากรู้อยากเห็นมีน้ำหนักเพียงหนึ่งตันเท่านั้น

ก้าวต่อไปจะไม่เพิ่มขึ้น

ต้องการทำสิ่งเดียวกันกับน้ำหนักบรรทุกที่มากขึ้นหรือไม่ ฉันแน่ใจว่าคุณกำลังนึกถึง aeroshells ที่ใหญ่กว่าร่มชูชีพที่ใหญ่กว่า skycranes ที่ใหญ่กว่า

ตามทฤษฎีแล้ว SpaceX Starship จะส่งอาณานิคม 100 ตันและสิ่งของไปยังพื้นผิวดาวอังคาร

นี่คือปัญหา วิธีการของการชะลอตัวในบรรยากาศของดาวอังคารไม่ได้ดีขึ้นมาก

ก่อนอื่นเริ่มต้นด้วยร่มชูชีพ ความจริงแล้วที่น้ำหนัก 1 ตันความอยากรู้อยากเห็นนั้นหนักพอ ๆ กับการใช้ร่มชูชีพ หนักกว่าและไม่ได้มีเพียงวิศวกรวัสดุใด ๆ ที่สามารถใช้ที่สามารถจัดการกับการชะลอความเร็วได้

สองสามเดือนที่ผ่านมาวิศวกรของนาซ่าฉลองการทดสอบความสำเร็จของการทดลองขั้นสูงอัตราเงินเฟ้อเหนือร่มชูชีพหรือ ASPIRE นี่คือร่มชูชีพที่จะใช้สำหรับภารกิจรถแลนด์โรเวอร์ดาวอังคาร 2020

พวกเขาใส่ร่มชูชีพที่ทำจากผ้าคอมโพสิตขั้นสูงเช่นไนลอนเทคโนร่าและเคฟลาร์บนจรวดที่เปล่งเสียงแล้วเปิดตัวที่ระดับความสูง 37 กิโลเมตรเลียนแบบเงื่อนไขที่ยานอวกาศจะได้สัมผัสเมื่อมาถึงดาวอังคาร

ร่มชูชีพใช้งานได้ในเสี้ยววินาทีและมีแรงเต็มที่ 32,000 กิโลกรัม หากคุณอยู่บนเรือในเวลานั้นคุณจะได้รับแรงมากถึง 3.6 เท่าเมื่อชนเข้ากับกำแพงที่มีความเร็ว 100 กม. / ชม. สวมเข็มขัดนิรภัย กล่าวอีกนัยหนึ่งคุณจะไม่รอด

ถ้ายานอวกาศนั้นหนักกว่ามันจะต้องทำจากผ้าคอมโพสิตที่เป็นไปไม่ได้ และลืมเกี่ยวกับผู้โดยสาร

นาซ่าได้ลองใช้แนวความคิดที่แตกต่างกันเพื่อให้น้ำหนักบรรทุกบนดาวอังคารหนักขึ้นเช่นเดียวกับ 3 ตัน

แนวคิดหนึ่งเรียกว่า Decelerator Supersonic ความหนาแน่นต่ำหรือ LDSD ความคิดคือการใช้ตัวลดความเร็วอากาศพลศาสตร์ที่มีขนาดใหญ่กว่ามากซึ่งจะพองตัวรอบยานอวกาศเหมือนปราสาทเด้งเนื่องจากมันเข้าสู่แรงโน้มถ่วงของดาวอังคาร

ในปี 2558 องค์การนาซ่าทดสอบเทคโนโลยีนี้โดยนำรถต้นแบบขึ้นบอลลูนสูง 36 กิโลเมตร ยานพาหนะนั้นยิงจรวดแข็งของมันไปที่ระดับความสูง 55 กิโลเมตร

ขณะที่มันพุ่งสูงขึ้นมันพองลมเดอร์ไดนามิคเดซิเบอเรเตอร์ที่มีความเร็วสูงถึง 6 เมตร (หรือ 20 ฟุต) ซึ่งทำให้มันช้าลงกลับไปที่มัค 2.4 น่าเสียดายที่ร่มชูชีพของมันล้มเหลวในการปรับใช้อย่างเหมาะสมดังนั้นจึงชนเข้ากับมหาสมุทรแปซิฟิก

นั่นเป็นความคืบหน้า หากพวกเขาสามารถทำงานด้านวิศวกรรมและฟิสิกส์ได้จริงเราอาจเห็นยานอวกาศลงจอดบนพื้นผิวดาวอังคารขนาด 3 ตัน สามตันทั้งหมด

แรงขับเพิ่มเติม, สินค้าน้อย

แนวคิดต่อไปในการขยายการลงจอดดาวอังคารคือการใช้แรงขับมากขึ้น ในทางทฤษฎีคุณสามารถบรรทุกเชื้อเพลิงได้มากขึ้นยิงจรวดของคุณเมื่อคุณมาถึงดาวอังคารและยกเลิกความเร็วนั้น แน่นอนว่าปัญหาก็คือยิ่งคุณมีมวลมากเท่าไรคุณก็จะต้องชะลอความเร็วลงเท่าไรคุณก็จะยิ่งมีมวลน้อยลงเท่านั้นที่สามารถตกลงบนพื้นผิวดาวอังคารได้

SpaceX Starship คาดว่าจะใช้การลงจอดแบบ propulsive เพื่อรับ 100 ตันลงไปที่พื้นผิวดาวอังคาร เนื่องจากมันใช้เส้นทางที่ตรงและเร็วกว่านั้น Starship จะเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของดาวอังคารเร็วกว่า 8.5 กม. / วินาทีจากนั้นใช้กองกำลังแอโรไดนามิกเพื่อชะลอการเข้า

ไม่ต้องไปเร็วขนาดนี้แน่นอน Starship สามารถใช้ aerobraking ผ่านชั้นบรรยากาศหลายต่อหลายครั้งเพื่อให้เลือดไหลออกมา อันที่จริงนี่เป็นวิธีการที่ยานอวกาศโคจรไปที่ดาวอังคารใช้

แต่จากนั้นผู้โดยสารบนเครื่องจะต้องใช้เวลาหลายสัปดาห์เพื่อให้ยานอวกาศชะลอตัวและเข้าสู่วงโคจรรอบดาวอังคารและจากนั้นจะผ่านชั้นบรรยากาศ

Elon Musk กล่าวว่ากลยุทธ์ที่ไม่ได้ใช้งานง่ายของเขาในการจัดการกับความร้อนทั้งหมดนั้นคือการสร้างยานอวกาศจากเหล็กกล้าไร้สนิมและจากนั้นรูเล็ก ๆ ในเปลือกจะทำให้เชื้อเพลิงมีเธนออกมาเพื่อให้ยานอวกาศเย็นลง

เมื่อมันมีความเร็วเพียงพอแล้วก็จะหมุนเครื่องยนต์ Raptor ของมันและลงบนพื้นผิวดาวอังคารอย่างเบามือ

เล็งไปที่พื้นดึงขึ้นในนาทีสุดท้าย

น้ำมันเชื้อเพลิงทุกกิโลกรัมที่ยานอวกาศใช้เพื่อลดความเร็วลงสู่พื้นผิวดาวอังคารนั้นคือน้ำหนักบรรทุกหนึ่งกิโลกรัมที่ไม่สามารถบรรทุกขึ้นสู่พื้นผิวได้

ฉันไม่แน่ใจว่ามีกลยุทธ์ใดที่สามารถนำไปใช้งานได้อย่างง่ายดายบนพื้นดินของดาวอังคาร คนที่ฉลาดกว่าฉันคิดว่ามันเป็นไปไม่ได้เลยทีเดียวโดยไม่ต้องใช้จรวดจำนวนมหาศาล

ที่กล่าวว่า Elon Musk คิดว่ามีวิธี และก่อนที่เราจะลดแนวความคิดของเขามาดูการเสริมทัพสองข้างจาก Falcon Heavy rockets land กันอย่างสมบูรณ์แบบ

และอย่าใส่ใจกับสิ่งที่เกิดขึ้นกับผู้สนับสนุนส่วนกลาง

การศึกษาใหม่จากแผนกการบินและอวกาศที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ Urbana-Champaign เสนอว่าภารกิจสู่ดาวอังคารสามารถใช้ประโยชน์จากบรรยากาศที่หนากว่าซึ่งอยู่ใกล้กับพื้นผิวดาวอังคาร

ในรายงานของพวกเขาที่ชื่อว่า“ ทางเลือกการเข้าวิถียานพาหนะสัมประสิทธิ์ขีปนาวุธสูงที่ดาวอังคาร” นักวิจัยเสนอว่ายานอวกาศที่บินไปดาวอังคารไม่จำเป็นต้องรีบร้อนเพื่อกำจัดความเร็วของพวกมัน

ในขณะที่ยานอวกาศกำลังกรีดร้องผ่านชั้นบรรยากาศมันจะยังสามารถสร้างลิฟต์อากาศพลศาสตร์จำนวนมากซึ่งสามารถนำมาใช้เพื่อคัดท้ายมันผ่านชั้นบรรยากาศ

พวกเขาทำการคำนวณและพบว่ามุมในอุดมคติคือเพียงชี้ยานอวกาศลงไปและพุ่งไปที่พื้นผิว จากนั้นในช่วงเวลาที่เป็นไปได้ให้ดึงขึ้นโดยใช้ลิฟต์อากาศพลศาสตร์เพื่อบินไปด้านข้างผ่านส่วนที่หนาที่สุดของชั้นบรรยากาศ

สิ่งนี้จะเป็นการเพิ่มการลากและช่วยให้คุณกำจัดความเร็วได้มากที่สุดก่อนที่คุณจะเปิดเครื่องยนต์โคตรและลงจอดให้สมบูรณ์

นั่นฟังดูเอ่อสนุก

หากมนุษยชาติกำลังจะสร้างอนาคตที่มีชีวิตบนพื้นผิวดาวอังคารเราจะต้องแก้ไขปัญหานี้ เราจะต้องพัฒนาชุดของเทคโนโลยีและเทคนิคที่ทำให้การลงจอดบนดาวอังคารน่าเชื่อถือและปลอดภัยยิ่งขึ้น

ฉันสงสัยว่ามันจะมีความท้าทายมากกว่าที่ผู้คนคาดหวัง แต่ฉันกำลังรอความคิดที่จะทดสอบในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

ขอบคุณมากสำหรับแนนซี่แอตกินสันที่ ครอบคลุมหัวข้อนี้ที่นี่ ในนิตยสาร Space มากกว่าทศวรรษที่ผ่านมาและเป็นแรงบันดาลใจให้ฉันทำงานกับวิดีโอนี้