Někteří zastánci lidských misí na Mars tvrdí, že dnes máme technologii, jak poslat lidi na Rudou planetu. Ale my? Rob Manning z Jet Propulsion Laboratory pojednává o složitosti vstupu, sestupu a přistání a o tom, co je třeba udělat, aby se lidé na Marsu stali realitou.
Ve statistikách misí na Mars není žádná útěcha. K dnešnímu dni se nezdařilo více než 60 % misí. Vědci a inženýři těchto podniků používají fráze jako „Šest minut teroru“ a „Velký galaktický ghúl“ k ilustraci svých zážitků, což je důkaz úzkosti, kterou vyvolává vyslání robotické kosmické lodi na Mars – dokonce i mezi těmi, kteří věnovali své kariéry k úkolu. Ale zmiňme o vyslání lidské mise k přistání na Rudé planetě, s nákladem o několik faktorů větším než bezpilotní kosmická loď a úzkost mezi stejnou skupinou je ještě větší. Proč?
Nikdo neví, jak na to.
Překvapený? Většina lidí je, říká Rob Manning, hlavní inženýr ředitelství pro průzkum Marsu a v současnosti jediný člověk, který vedl týmy k úspěšnému přistání tří robotických kosmických lodí na povrchu Marsu.
'Ukazuje se, že většina lidí si tohoto problému neuvědomuje a jen velmi málo lidí se obává podrobností o tom, jak dostat něco velmi těžkého bezpečně na povrch Marsu,' řekl Manning.
Věří, že mnoho lidí okamžitě dospěje k závěru, že přistání lidí na Marsu by mělo být snadné. Koneckonců, lidé úspěšně přistáli na Měsíci a my můžeme přistát s našimi vozidly přepravujícími lidi z vesmíru na Zemi. A protože Mars spadá mezi Zemi a Měsíc velikostí a také množstvím atmosféry, které má, pak by střední cesta Marsu měla být snadná. 'Existuje názor, že bychom měli být schopni propojit tečky mezi tím,' řekl Manning.
Ale od této chvíle se tečky budou muset spojit přes velkou propast.
„Víme, jaké jsou problémy. Rád obviňuji boha války,“ vtipkoval Manning. 'Tato planeta není přátelská ani vhodná pro přistání.'
Skutečným problémem je kombinace atmosféry Marsu a velikosti vesmírných lodí potřebných pro lidské mise. Doposud byly naše robotické kosmické lodě dostatečně malé na to, aby umožnily alespoň nějaký úspěch při bezpečném dosažení povrchu. Ale zatímco lunární lander Apollo vážil přibližně 10 metrických tun, lidská mise na Mars bude vyžadovat trojnásobek až šestinásobek hmotnosti, vzhledem k omezením pobytu na planetě po dobu jednoho roku. Přistání tak těžkého nákladu na Marsu je v současnosti nemožné s využitím našich stávajících schopností. 'Na Marsu je příliš mnoho atmosféry na to, aby přistávala těžká vozidla, jako to děláme na Měsíci, využívající zcela pohonnou technologii,' řekl Manning, 'a je tu příliš málo atmosféry na přistání jako my na Zemi.' Takže je to v této ošklivé šedé zóně.'
Ale co airbagy, padáky nebo trysky, které byly použity na předchozích úspěšných robotických misích na Mars, nebo zvedací zařízení podobné raketoplánu?
Žádný z nich nebude fungovat, ať už sám o sobě nebo v kombinaci, k přistání užitečného zatížení jedné metrické tuny a více na Marsu. Tento problém se týká nejen lidských misí na Rudou planetu, ale také větších robotických misí, jako je návrat vzorku. 'Bohužel tam jsme my,' řekl Manning. 'Dokud nevymyslíme úplně nový trik, úplně nový systém, bude přistání lidí na Marsu ošklivý a děsivý návrh.'
Mapování silnic
V roce 2004 NASA zorganizovala zasedání Road Mapping, kde se diskutovalo o současných schopnostech a budoucích problémech přistání lidí na Marsu. Manning této události spolupředsedal spolu s astronautem Apolla 17 Harrisonem Schmittem a Claudem Gravesem, který mezitím zemřel, z Johnsonova vesmírného střediska. Zasedání se zúčastnilo přibližně 50 dalších lidí z celé NASA, akademické obce a průmyslu. 'V té době nebyla schopnost vysvětlit tyto problémy koherentním způsobem tak dobrá,' řekl Manning. „Proces vstupu, sestupu a přistání je ve skutečnosti tvořen lidmi z mnoha různých oborů. Jen velmi málo lidí skutečně chápalo, zejména u rozsáhlých systémů, jaké byly všechny problémy. Na sezení Road Mapping jsme byli schopni je všechny odložit a promluvit si o nich.“
Hlavním závěrem, který vzešel ze zasedání, bylo, že nikdo dosud nepřišel na to, jak bezpečně dostat velké masy z rychlostí vstupu a oběžné dráhy dolů na povrch Marsu. 'Nazýváme to problém nadzvukového přechodu,' řekl Manning. 'Unikátní na Marsu je rozdíl mezi rychlostí a nadmořskou výškou pod 5 Mach. Propast je mezi doručovací schopností velkých vstupních systémů na Marsu a schopností technologií super- a podzvukových zpomalovačů dostat se pod rychlost zvuku.'
Jednoduše řečeno, s našimi současnými schopnostmi má velké, těžké vozidlo, pronikající řídkou, těkavou atmosférou Marsu, jen asi devadesát sekund na to, aby se zpomalilo z Mach 5 na Mach 1, změnilo se a přeorientovalo z bytosti kosmické lodi na vesmírnou loď. lander, rozmístěte padáky, abyste dále zpomalili, pak použijte trysky k přeložení na místo přistání a nakonec jemně dosedněte.
Bez airbagů
Když je tento problém poprvé představen lidem, nejnabízenějším řešením, říká Manning, je použití airbagů, protože byly tak úspěšné na misích, na kterých se podílel; vozítko Pathfinder, Sojourner a dva průzkumné vozítka Mars (MER), Spirit a Opportunity.
Ale inženýři cítí, že dosáhli kapacity airbagů s MER. „Nejde jen o hmotnost nebo objem airbagů nebo velikost samotných airbagů, ale jde o hmotnost zvířete uvnitř airbagů,“ řekl Manning. 'Je to asi tak velké, jak dokážeme vzít tento konkrétní design.'
Navíc při přistání airbagu působí na užitečné zatížení síly mezi 10-20 G. Zatímco roboti mohou odolat takové síle, lidé ne. To neznamená, že airbagy už nikdy nebudou použity, pouze že přistání airbagů nelze použít pro něco lidského nebo těžkého.
Dokonce i rover Mars Science Laboratory (MSL) z roku 2009, vážící 775 kilogramů (oproti MER, každý 175,4 kilogramů), vyžaduje zcela novou přistávací architekturu. Rover o velikosti malého auta, který je příliš masivní na airbagy, bude používat přistávací systém nazvaný Sky Crane. 'I když se někteří lidé smějí, když to poprvé uvidí, můj osobní názor je, že Sky Crane je ve skutečnosti ten nejelegantnější systém, se kterým jsme dosud přišli, a nejjednodušší,' řekl Manning. MSL použije kombinaci raketově naváděného vstupu s tepelným štítem, padákem, pak tryskami, aby vozidlo ještě více zpomalil, následovaný systémem podobným jeřábu, který spustí rover na kabelu pro měkké přistání přímo na jeho kola. . V závislosti na úspěchu Sky Crane s MSL je pravděpodobné, že tento systém bude možné upravit pro větší užitečné zatížení, ale pravděpodobně ne na velikost potřebnou k přistání lidí na Marsu.
Atmosférická úzkost a problémy s padákem
'Na Zemi je skvělá věc,' řekl Manning, 'je atmosféra.' Při návratu na Zemi a vstupu do atmosféry rychlostí mezi 7-10 kilometry za sekundu se raketoplán, kapsle Apollo a Sojuz a navrhované Crew Exploration Vehicle (CEV) všechny zpomalí na méně než 1 Mach ve výšce asi 20 kilometrů nad zemí. prolétáním luxusně hustou atmosférou Země a použitím tepelného štítu. Pro dosažení nižších rychlostí potřebných pro přistání se buď rozmístí padák, nebo v případě raketoplánu tažení a zvednutí umožní zbytek rychlosti odvzdušnit.
Ale atmosféra Marsu je jen o jedno procento tak hustá než zemská. Pro srovnání, nejtlustší atmosféra Marsu odpovídá atmosféře Země ve výšce asi 35 kilometrů nad povrchem. Vzduch je tak tenký, že těžké vozidlo, jako je CEV, v podstatě spadne na povrch; není dostatečný odpor vzduchu, aby to dostatečně zpomalil. Padáky lze otevřít pouze při rychlostech nižších než 2 Mach a těžká kosmická loď na Marsu by nikdy nepostoupila tak pomalu, kdyby použila pouze tepelný štít. 'A neexistují žádné padáky, které byste mohli použít ke zpomalení tohoto vozidla,' řekl Manning. 'A je to. Nemůžete přistát s CEV na Marsu, pokud vám nebude vadit, že je to kráter na povrchu.“
To není dobrá zpráva pro Vision for Space Exploration. Zachránilo by vozidlo s vyšším zdvihem, jako je raketoplán? 'No, když na Marsu používáte velmi vysoký poměr vztlaku k hmotnosti a odporu jako raketoplán,' řekl Manning, 'abyste dosáhli dobrého zpomalení a správně využili vztlak, museli byste se snížit nízko do atmosféry. Stále byste jeli rychlostí 2 nebo 3 Mach poměrně blízko země. Pokud jste měli dobrý řídicí systém, mohli byste rozložit zpomalení a prodloužit tak dobu, kdy jste ve vzduchu. Nakonec byste zpomalili až pod Mach 2, abyste otevřeli padák, ale byli byste příliš blízko země a ani ultra velký nadzvukový padák by vás nezachránil.“
Experti na nadzvukové padáky došli k závěru, že dostatečně zpomalit velké vozidlo typu raketoplánu na Marsu a dostat se na zem rozumnou rychlostí by vyžadovalo padák o průměru sto metrů.
'To je dobrý zlomek Rose Bowlu.' To je obrovské,“ řekl Manning. „Věříme, že neexistuje způsob, jak vyrobit 100metrový padák, který by se dal bezpečně otevřít nadzvukem, nemluvě o čase, který zabere nafouknutí něčeho tak velkého. Byli byste na zemi, než by byla plně nafouknutá. Nebyl by to dobrý výsledek.'
Tepelné štíty a trysky
Není to tak, že by atmosféra Marsu byla zbytečná. Manning vysvětlil, že u robotických kosmických lodí je 99 % kinetické energie přilétajícího vozidla odebíráno pomocí tepelného štítu v atmosféře. 'Není nepředstavitelné, že dokážeme navrhnout větší a lehčí tepelné štíty,' řekl, 'ale problém je v tom, že právě teď průměr tepelného štítu pro vesmírnou loď schopnou člověka převyšuje jakoukoli možnost vypuštění tohoto vozidla ze Země.' Manning dodal, že by bylo téměř lepší, kdyby Mars byl jako Měsíc, bez atmosféry.
Pokud by tomu tak bylo, mohl by být použit lunární lander typu Apollo s tryskami. „To by ale způsobilo další problém,“ řekl Manning, „v tom, že na každý kilogram materiálu na oběžné dráze je potřeba dvakrát více paliva, než se dostane na povrch Marsu než na Měsíc. Všechno je dvakrát horší, protože Mars je asi dvakrát tak velký než Měsíc. To by vyžadovalo velké množství paliva, možná více než šestinásobek hmotnosti užitečného nákladu v palivu, aby se na povrch dostaly užitečné náklady o velikosti člověka, které by se všechny musely přivézt ze Země. Dokonce ani na fiktivním Marsu bez vzduchu to není možné.
Ale použití současné technologie trysek ve skutečné, existující atmosféře Marsu představuje aerodynamické problémy. 'Raketové chocholy jsou notoricky nestabilní, dynamické, chaotické systémy,' řekl Manning. 'V podstatě letí do vleku nadzvukovou rychlostí, chomout rakety se chová jako nosní kužel; nosní kužel, který se před vámi pohybuje proti velmi vysokému dynamickému tlaku. I když je hustota atmosféry velmi nízká, protože rychlost je tak vysoká, síly jsou opravdu obrovské.“
Manning přirovnal tyto síly k hurikánu páté kategorie. To by způsobilo extrémní napětí s otřesy a kroucením, které by pravděpodobně zničily vozidlo. Proto použití samotné pohonné technologie nepřipadá v úvahu.
Použití trysek v kombinaci s tepelným štítem a padákem také představuje problémy. Za předpokladu, že vozidlo použilo nějakou techniku ke zpomalení pod Mach 1, použití pohonu právě v posledních fázích klesání k postupnému nastavení trajektorie přistávacího modulu by umožnilo vozidlu dorazit velmi přesně na požadované místo přistání. „Díváme se na odpalování trysek méně než 1 kilometr nad zemí. Váš padák byl odhozen a vidíte, že jste možná 5 kilometrů jižně od místa, kde chcete přistát,“ řekl Manning. 'Takže nyní potřebujete schopnost otočit vozidlo na stranu, abyste se pokusili dostat na místo přistání.' Ale může to být drahá varianta, která přidává velkou daň za palivo, abyste se dostali na požadované místo přistání.'
Navíc na Měsíci, bez atmosféry nebo počasí, na vozidlo nic netlačí, nesundává ho z cíle, a a la Neil Armstrong na Apollu 11 může pilot „vyletět z nejistot“, jak to nazval Manning, dosáhnout vhodné nebo požadované místo přistání. Na Marsu se však velké rozdíly v hustotě atmosféry spojené s vysokými a nepředvídatelnými větry spikly, aby vytlačily vozidla z kurzu. „Potřebujeme mít způsoby, jak s těmito silami bojovat, nebo způsoby, jak vynahradit jakékoli nesprávné cílení pomocí pohonného systému,“ řekl Manning. 'Právě teď tuto schopnost nemáme a jsme daleko od toho, abychom to dokázali.'
Nadzvukové zpomalovače
Nejlepší nadějí na obzoru pro umožnění lidského podnikání na Marsu je nový typ nadzvukového zpomalovače, který je pouze na rýsovacím prkně. Několik společností vyvíjí nový nafukovací nadzvukový zpomalovač nazvaný Hypercone.
Představte si obrovskou koblihu s kůží na povrchu, která obepíná vozidlo a velmi rychle se nafoukne plynovými raketami (jako vzduchové vaky), aby vytvořily kónický tvar. To by se nafouklo asi 10 kilometrů nad zemí, zatímco vozidlo jede rychlostí 4 nebo 5 Mach, po špičkovém zahřátí. Hypercone by fungoval jako aerodynamická kotva ke zpomalení vozidla na Mach 1.
Glen Brown, hlavní inženýr ve společnosti Vertigo, Inc. v Lake Elsinore v Kalifornii, byl také účastníkem zasedání Mars Road Mapping. Brown říká, že Vertigo provádělo rozsáhlou analýzu Hypercone, včetně odhadů velikosti a hmotnosti pro landery od čtyř do šedesáti metrických tun. 'Vysokotlaká nafukovací konstrukce ve tvaru a torusu je logickým způsobem, jak podepřít membránu v kuželovitém tvaru, která je stabilní a má vysoký odpor při vysokých Machových číslech,' řekl Brown a dodal, že struktura bude pravděpodobně vyrobena. z potažené tkaniny, jako jsou materiály silikon-Vectran matrice. Vertigo v současné době soutěží o finance od NASA na další výzkum, protože další krok, nasazení v nadzvukovém aerodynamickém tunelu, je poměrně nákladný.
Konstrukce by potřebovala mít průměr asi třicet až čtyřicet metrů. Problém je v tom, že velké, flexibilní struktury je notoricky obtížné ovládat. V tomto okamžiku existuje také několik dalších neznámých ohledně vývoje a používání Hypercone.
Jedním z myšlenkových pochodů je, že pokud Hypercone dokáže dostat vozidlo pod Mach 1, pak by bylo možné použít podzvukové padáky, podobně jako ty, které používá Apollo, nebo které má CEV použít k přistání na Zemi. Nafouknutí padáků však nějakou dobu trvá a následně by bylo použití jen otázkou sekund, což by umožnilo odhodit padáky před přeměnou na pohonný systém.
'Také budete muset použít trysky,' řekl Manning. „Padáte 10krát rychleji, protože hustota atmosféry Marsu je 100krát menší než hustota Země. To znamená, že nemůžete jen tak přistát s padáky a dotknout se země. Zlámali byste lidem kosti, ne-li hardware. Takže musíte přejít z padákového systému na měsíční přistávací modul podobný Apollu, než se dostanete na zem.'
Manning věří, že ti, kdo jsou ponořeni do těchto záležitostí, stejně jako on, vidí různé problémy, které mezi sebou bojují. 'Je těžké dostat svůj mozek kolem všech těchto problémů, protože všechny části se spojují složitým způsobem,' řekl. 'Je velmi těžké vidět správnou odpověď v oku své mysli.'
Další problémy s vytvářením nových lehkých, ale pevných tvarů a struktur, se schopností rozdělit se a transformovat z jedné fáze do druhé ve správný čas, znamená vyvinout rychle žhnoucí zařízení podobné Rube Goldbergovi.
„Upřímná pravda,“ řekl Manning, „je, že nemáme standardní kanonickou formu, standardní konfiguraci systémů, které nám umožňují dostat se na zem, se správnou velikostí, která vyrovnává síly a zatížení. , lidem a umožňuje nám provést veškerou transformaci, kterou je třeba provést, ve velmi krátkém čase, který musíme přistát.“
Další možnosti a problémy
Další alternativou diskutovanou na zasedání Mars Road Mapping v roce 2004 byl vesmírný výtah.
'Mars opravdu prosí o vesmírný výtah,' řekl Manning. 'Myslím, že to má velký potenciál. To by vyřešilo spoustu problémů a Mars by byl skvělou platformou, kde to zkusit.“ Manning ale připustil, že technologie potřebná k zavěšení vesmírného výtahu ještě nebyla vynalezena. Problémy s technologií vesmírných výtahů mohou být obrovské, dokonce i ve srovnání s problémy při přistání.
Navzdory těmto známým překážkám je v NASA v současné době jen málo lidí, kteří tráví kvalitní čas prací na některé z otázek přistání lidí na Marsu.
Manning vysvětlil: „NASA zatím nemá zdroje na vyřešení tohoto problému a také na vývoj CEV, dokončení Mezinárodní vesmírné stanice a zároveň vývoj systémů pro přistání na Měsíci. NASA však ví, že je to na jejím talíři, co má v budoucnu udělat, a právě začíná získávat kontrolu nad potřebným technologickým vývojem. Snažím se tento příběh vyprávět ze všech sil, protože povzbuzuji mladé studenty leteckého inženýrství, zejména postgraduální studenty, aby na tomto problému začali pracovat sami. Není pochyb o tom, že s jejich pomocí můžeme přijít na to, jak zajistit, aby na Marsu fungovaly spolehlivé přistávací systémy v lidském měřítku.'
Zatímco NASA a vesmírný sektor mají velký zájem o to, abychom se pokusili tyto problémy v následujících letech řešit, technologie také potřebuje několik dalších let, aby dohnala naše sny o přistání lidí na Marsu.
A tento příběh, stejně jako všechny dobré inženýrské příběhy, se bude nevyhnutelně číst jako dobrý detektivní román s technickými zvraty, vědeckými intrikami a velkým dobrodružstvím v jiném světě.