Nó rất xấu Sao Hỏa là một nơi thú vị như vậy, bởi vì nó thực sự là một trong những nơi khó đến nhất trong Hệ Mặt Trời, đặc biệt nếu bạn muốn mang theo nhiều hành lý. Hành tinh đó là một nghĩa địa của những nhiệm vụ mà không hoàn toàn làm được.
Khi tham vọng của chúng ta tăng lên và chúng ta nghĩ về việc khám phá sao Hỏa với con người - thậm chí có thể là những người thực dân trong tương lai - chúng ta sẽ cần phải giải quyết một trong những vấn đề lớn nhất trong thám hiểm không gian.
Hạ cánh thành công trọng tải nặng trên bề mặt Sao Hỏa thực sự rất khó thực hiện.
Có một loạt các thách thức với Sao Hỏa, bao gồm việc không có từ trường bảo vệ và trọng lực bề mặt thấp hơn. Nhưng một trong những điều lớn nhất là khí quyển carbon dioxide mỏng.
Nếu bạn đang đứng trên bề mặt Sao Hỏa mà không có phi hành gia, bạn sẽ bị đóng băng đến chết và ngạt thở vì thiếu oxy. Nhưng bạn cũng trải qua ít hơn 1% áp suất khí quyển mà bạn tận hưởng ở đây trên Trái đất.
Và hóa ra, bầu không khí mỏng manh này đang khiến nó trở nên vô cùng khó khăn để có được trọng tải đáng kể một cách an toàn xuống bề mặt Hành tinh Đỏ. Trên thực tế, chỉ có 53% nhiệm vụ lên Sao Hỏa thực sự đã diễn ra đúng đắn.
Vì vậy, hãy để nói về cách các nhiệm vụ đến Sao Hỏa hoạt động trong quá khứ và tôi sẽ cho bạn thấy vấn đề là gì.
Hạ cánh trên sao Hỏa là tồi tệ nhất
Trong lịch sử, các nhiệm vụ lên Sao Hỏa được phóng từ Trái đất trong các cửa sổ chuyến bay mở ra cứ sau hai năm hoặc khi Trái đất và Sao Hỏa ở gần nhau hơn. ExoMars đã bay vào năm 2016, InSight vào năm 2018 và rover Mars 2020 sẽ bay vào năm 2020.
Các nhiệm vụ theo quỹ đạo chuyển giao liên hành tinh được thiết kế để đến đó nhanh nhất hoặc với lượng nhiên liệu ít nhất.
Khi tàu vũ trụ đi vào bầu khí quyển của Sao Hỏa, nó sẽ đi hàng chục ngàn km mỗi giờ. Nó phải bằng cách nào đó mất tất cả vận tốc đó trước khi hạ cánh nhẹ nhàng trên bề mặt Hành tinh Đỏ.
Ở đây trên Trái đất, bạn có thể sử dụng bầu khí quyển Trái đất dày đặc để làm chậm bước đi của bạn, làm mất đi vận tốc của bạn bằng một tấm khiên nhiệt. Các tàu con thoi của tàu con thoi được thiết kế để hấp thụ sức nóng của việc nhập lại, vì quỹ đạo 77 tấn đã đi từ 28.000 km / h xuống không.
Một kỹ thuật tương tự có thể được sử dụng trên Sao Kim hoặc Titan, nơi chúng có bầu khí quyển dày.
Mặt trăng, không có bất kỳ bầu khí quyển nào cũng tương đối đơn giản để hạ cánh là tốt. Không có bất kỳ bầu không khí nào, ở đó, bạn không cần một tấm chắn nhiệt, bạn chỉ cần sử dụng lực đẩy để làm chậm quỹ đạo và hạ cánh trên bề mặt. Miễn là bạn mang đủ nhiên liệu, bạn có thể hạ cánh.
Trở lại Sao Hỏa, với một con tàu vũ trụ bay vào bầu khí quyển mỏng với tốc độ hơn 20.000 km mỗi giờ.
Sự tò mò là giới hạn
Theo truyền thống, các nhiệm vụ đã bắt đầu hạ xuống bằng một chiếc aeroshell để loại bỏ một số vận tốc tàu vũ trụ. Nhiệm vụ nặng nề nhất từng được gửi tới Sao Hỏa là Curiosity, nặng khoảng 1 tấn, tương đương 2.200 pound.
Khi nó đi vào bầu khí quyển sao Hỏa, nó sẽ đi 5,9 km một giây, tương đương 22.000 km một giờ.
Sự tò mò có chiếc aeroshell lớn nhất từng được gửi tới Sao Hỏa, có chiều ngang 4,5 mét. Chiếc aeroshell khổng lồ này được đặt nghiêng một góc, cho phép tàu vũ trụ cơ động khi nó chạm vào bầu khí quyển mỏng của sao Hỏa, nhằm vào một khu vực hạ cánh cụ thể.
Ở độ cao khoảng 131 km, tàu vũ trụ sẽ bắt đầu bắn các máy đẩy để điều chỉnh hoàn hảo quỹ đạo khi nó tiếp cận bề mặt Sao Hỏa.
Khoảng 80 giây bay qua bầu khí quyển, nhiệt độ trên tấm chắn nhiệt tăng lên 2.100 độ C. Để không bị tan chảy, tấm chắn nhiệt đã sử dụng một vật liệu đặc biệt có tên là Phenolic Impregnated Carbon Ablator, hay PICA. Nhân tiện, SpaceX sử dụng cho Dragon Capsules.
Khi nó đã giảm tốc độ xuống thấp hơn Mach 2.2, tàu vũ trụ đã triển khai chiếc dù lớn nhất từng được chế tạo cho một nhiệm vụ lên Sao Hỏa - dài 16 mét. Chiếc dù này có thể tạo ra lực kéo 29.000 kg, làm chậm nó hơn nữa.
Các dây treo được làm bằng Technora và Kevlar, đây là những vật liệu chịu nhiệt và mạnh nhất mà chúng ta biết đến.
Sau đó, nó vứt chiếc dù của mình và sử dụng động cơ tên lửa để làm chậm bước đi của nó hơn nữa. Khi nó đủ gần, Curiosity đã triển khai một skycrane hạ nhẹ rover xuống bề mặt.
Đây là phiên bản nhanh. Nếu bạn muốn có một cái nhìn tổng quan sâu rộng về những gì Curiosity đã trải qua khi hạ cánh trên Sao Hỏa, tôi khuyên bạn nên xem Emily Lakdawalla trong thời gian Thiết kế và Kỹ thuật của Curiosity Hồi.
Tò mò chỉ nặng một tấn.
Đi lên quy mô lớn hơn
Bạn muốn làm điều tương tự với tải trọng nặng hơn? Tôi chắc chắn rằng bạn đang tưởng tượng aeroshells lớn hơn, dù lớn hơn, skycranes lớn hơn.
Về lý thuyết, Tàu vũ trụ SpaceX sẽ gửi 100 tấn thực dân và những thứ của chúng lên bề mặt Sao Hỏa.
Đây là vấn đề. Các phương pháp giảm tốc trong bầu khí quyển sao Hỏa quy mô rất tốt.
Đầu tiên, hãy để Lốc bắt đầu với dù. Thành thật mà nói, ở mức 1 tấn, Curiosity nặng đến mức bạn có thể sử dụng dù. Bất kỳ nặng hơn và chỉ cần aren bất kỳ kỹ sư vật liệu có thể sử dụng có thể xử lý tải giảm tốc.
Một vài tháng trước, các kỹ sư của NASA đã tổ chức lễ thử nghiệm thành công Thử nghiệm nghiên cứu lạm phát nhảy dù siêu âm tiên tiến, hay còn gọi là ASPIRE. Đây là chiếc dù mà màllll sẽ được sử dụng cho nhiệm vụ rover Mars 2020.
Họ đặt chiếc dù làm bằng vải tổng hợp tiên tiến, như nylon, Technora và Kevlar, lên một tên lửa phát ra âm thanh và phóng nó lên độ cao 37 km, mô phỏng các điều kiện mà tàu vũ trụ sẽ trải qua khi tới Sao Hỏa.
Chiếc dù được triển khai trong một phần của giây và được bơm căng hoàn toàn, trải qua lực lượng 32.000 kg. Nếu bạn ở trên tàu vào thời điểm đó, bạn sẽ chịu lực mạnh gấp 3,6 lần so với đâm vào tường đi 100 km / h khi thắt dây an toàn. Nói cách khác, bạn sẽ sống sót.
Nếu tàu vũ trụ nặng hơn, nó sẽ cần phải được làm bằng vải tổng hợp không thể. Và quên đi hành khách.
NASA đã cố gắng thử nghiệm các ý tưởng khác nhau để hạ cánh trọng tải nặng hơn trên Sao Hỏa, khoảng 3 tấn.
Một ý tưởng được gọi là Bộ giảm tốc siêu âm mật độ thấp, hay LDSD. Ý tưởng là sử dụng một bộ giảm tốc khí động học lớn hơn nhiều sẽ thổi xung quanh tàu vũ trụ giống như một tòa lâu đài náo nhiệt khi nó đi vào trọng lực của sao Hỏa.
Năm 2015, NASA thực sự đã thử nghiệm công nghệ này, mang theo một chiếc xe nguyên mẫu trên khinh khí cầu đến độ cao 36 km. Chiếc xe sau đó đã bắn tên lửa rắn của nó, mang nó lên độ cao 55 km.
Khi nó đang phóng lên cao, nó thổi phồng Bộ giảm tốc khí động học siêu âm của nó đến đường kính 6 mét (hoặc 20 feet), sau đó làm chậm nó xuống Mach 2.4. Thật không may chiếc dù của nó không triển khai đúng cách, vì vậy nó đã rơi xuống Thái Bình Dương.
Đó là sự tiến bộ. Nếu họ thực sự có thể nghiên cứu kỹ thuật và vật lý, một ngày nào đó chúng ta có thể thấy tàu vũ trụ nặng 3 tấn đáp xuống bề mặt Sao Hỏa. Ba tấn cả.
Nhiều sức đẩy hơn, ít hàng hóa hơn
Ý tưởng tiếp theo để tăng quy mô hạ cánh trên sao Hỏa là sử dụng nhiều lực đẩy hơn. Về lý thuyết, bạn chỉ có thể mang thêm nhiên liệu, bắn tên lửa khi đến Sao Hỏa và hủy bỏ tất cả vận tốc đó. Vấn đề, tất nhiên, là bạn phải mang theo khối lượng càng lớn để giảm tốc, khối lượng càng ít mà bạn thực sự có thể đáp xuống bề mặt Sao Hỏa.
Tàu vũ trụ SpaceX dự kiến sẽ sử dụng hạ cánh đẩy để đưa 100 tấn xuống bề mặt Sao Hỏa. Bởi vì nó đi theo con đường trực tiếp hơn, nhanh hơn, Starship sẽ tấn công bầu khí quyển sao Hỏa nhanh hơn 8,5 km / giây và sau đó sử dụng lực lượng khí động học để làm chậm quá trình xâm nhập của nó.
Nó không phải đi nhanh như vậy, tất nhiên. Starship có thể sử dụng aerobraking, đi qua bầu khí quyển trên nhiều lần để làm giảm tốc độ. Trên thực tế, đây là phương pháp mà tàu vũ trụ quỹ đạo tới Sao Hỏa sử dụng.
Nhưng sau đó, hành khách trên tàu sẽ cần phải mất hàng tuần để tàu vũ trụ chạy chậm lại và đi vào quỹ đạo quanh Sao Hỏa, và sau đó bay xuống bầu khí quyển.
Theo Elon Musk, chiến lược thú vị không tưởng của anh ta để xử lý tất cả sức nóng đó là chế tạo tàu vũ trụ bằng thép không gỉ, và sau đó các lỗ nhỏ trên vỏ sẽ làm chảy nhiên liệu metan ra để giữ cho gió của tàu vũ trụ được mát mẻ.
Một khi nó đủ vận tốc, nó sẽ quay, bắn các động cơ Raptor và hạ cánh nhẹ nhàng trên bề mặt Sao Hỏa.
Mục tiêu cho mặt đất, kéo lên vào phút cuối
Mỗi kg nhiên liệu mà tàu vũ trụ sử dụng để làm chậm bước xuống bề mặt Sao Hỏa là một kg hàng hóa mà nó có thể mang theo lên bề mặt.
Tôi không chắc chắn rằng có bất kỳ chiến lược khả thi nào sẽ dễ dàng hạ được trọng tải nặng trên bề mặt Sao Hỏa. Những người thông minh hơn tôi nghĩ rằng nó rất nhiều điều không thể nếu không sử dụng một lượng lớn chất đẩy.
Điều đó nói rằng, Elon Musk nghĩ rằng có một cách. Và trước khi chúng tôi giảm giá các ý tưởng của anh ấy, chúng ta hãy cùng xem những tên lửa đẩy hai bên từ vùng đất tên lửa Falcon Heavy kết hợp hoàn hảo với nhau.
Và không chú ý đến những gì đã xảy ra với booster trung tâm.
Một nghiên cứu mới từ Khoa hàng không vũ trụ tại Đại học Illinois tại Urbana-Champaign đề xuất rằng các sứ mệnh tới Sao Hỏa có thể tận dụng bầu khí quyển dày hơn mà gần gũi hơn với bề mặt Sao Hỏa.
Trong bài báo của họ có tiêu đề, các tùy chọn quỹ đạo nhập cảnh cho các phương tiện có hệ số đạn đạo cao tại sao Hỏa, các nhà nghiên cứu đề xuất rằng tàu vũ trụ bay đến sao Hỏa cần phải vội vàng để thoát khỏi vận tốc của chúng.
Khi tàu vũ trụ đang gào thét trong bầu khí quyển, nó sẽ vẫn có thể tạo ra rất nhiều lực nâng khí động học, có thể được sử dụng để điều khiển nó xuyên qua bầu khí quyển.
Họ đã chạy các tính toán và thấy rằng góc lý tưởng là chỉ hướng tàu vũ trụ thẳng xuống và lặn xuống bề mặt. Sau đó, tại thời điểm cuối cùng có thể, kéo lên bằng cách sử dụng thang máy khí động học để bay ngang qua phần dày nhất của khí quyển.
Điều này làm tăng lực cản và cho phép bạn thoát khỏi tốc độ lớn nhất trước khi bạn bật động cơ gốc và hoàn thành việc hạ cánh được cung cấp năng lượng của bạn.
Đó là âm thanh, um, vui vẻ.
Nếu loài người sẽ xây dựng một tương lai khả thi trên bề mặt Sao Hỏa, chúng ta sẽ cần phải giải quyết vấn đề này. Chúng tôi sẽ cần phải phát triển một loạt các công nghệ và kỹ thuật để hạ cánh trên Sao Hỏa đáng tin cậy và an toàn hơn.
Tôi nghi ngờ rằng nó sẽ khó khăn hơn nhiều so với mọi người mong đợi, nhưng tôi đã mong chờ những ý tưởng sẽ được thử nghiệm trong những năm tới.
Xin chân thành cảm ơn đến Nancy Atkinson, người đề cập đến chủ đề này ở đây trên Tạp chí Vũ trụ hơn một thập kỷ trước và truyền cảm hứng cho tôi làm việc với video này.
