È un peccato che Marte sia un posto così interessante, perché in realtà è uno dei posti più difficili da visitare nel sistema solare, soprattutto se vuoi portare con te molti bagagli. Quel pianeta è un cimitero di missioni che non ce l'hanno fatta.

Man mano che le nostre ambizioni crescono, e pensiamo di esplorare Marte con gli umani - forse anche futuri coloni - avremo bisogno di risolvere uno dei più grandi problemi nell'esplorazione dello spazio:atterrare con successo carichi pesanti sulla superficie di Marte è davvero, davvero difficile da fare.

Ci sono un sacco di sfide con Marte, compresa la mancanza di una magnetosfera protettiva e la gravità superficiale inferiore. Ma uno dei più grandi è la sua sottile atmosfera di anidride carbonica. Se ti trovassi sulla superficie di Marte senza una tuta spaziale, moriresti congelato e asfissierai per mancanza di ossigeno. Ma sperimenteresti anche meno dell'1 percento della pressione atmosferica di cui godi qui sulla Terra.

E si scopre, questa atmosfera sottile sta rendendo incredibilmente difficile portare carichi utili significativi in ​​sicurezza sulla superficie del Pianeta Rosso. Infatti, solo il 53 percento delle missioni su Marte ha funzionato correttamente. Quindi parliamo di come hanno funzionato le missioni su Marte in passato, e ti mostrerò qual è il problema.

Atterrare su Marte è la cosa peggiore

Storicamente, le missioni su Marte vengono lanciate dalla Terra durante le finestre di volo che si aprono ogni due anni circa quando la Terra e Marte sono più vicine. ExoMars ha volato nel 2016, InSight nel 2018, e il rover Mars 2020 volerà dentro, bene, 2020.

Le missioni seguono la traiettoria di trasferimento interplanetario progettata per arrivarci il più velocemente, o con la minor quantità di carburante.

Quando l'astronave entra nell'atmosfera di Marte, sta andando a decine di migliaia di chilometri all'ora. In qualche modo, deve perdere tutta quella velocità prima di atterrare dolcemente sulla superficie del Pianeta Rosso.

Qui sulla Terra, puoi usare la densa atmosfera terrestre per rallentare la tua discesa, dissanguando la tua velocità con uno scudo termico. Le piastrelle della navetta spaziale sono state progettate per assorbire il calore del rientro, mentre l'orbiter da 77 tonnellate è passato da 28, 000 km/h a zero.

Una tecnica simile potrebbe essere utilizzata su Venere o Titano, che hanno atmosfere dense.

La luna, senza alcuna atmosfera, è relativamente semplice su cui atterrare, anche. Senza atmosfera, non c'è bisogno di uno scudo termico; usi solo la propulsione per rallentare la tua orbita e atterrare sulla superficie. Finché porti abbastanza propellente, puoi attaccare l'atterraggio.

Torna su Marte, con un veicolo spaziale che sfreccia nella sua sottile atmosfera a più di 20, 000 chilometri orari.

La curiosità è il limite

Tradizionalmente, le missioni hanno iniziato la loro discesa con un aeroshell per rimuovere parte della velocità del veicolo spaziale. La missione più pesante mai inviata su Marte è stata Curiosity, che pesava 1 tonnellata, o 2, 200 libbre.

Quando entrò nell'atmosfera marziana, stava andando a 5,9 chilometri al secondo, o 22, 000 chilometri all'ora.

Curiosity ha avuto il più grande aeroshell mai inviato su Marte, misura 4,5 metri di diametro. Questo enorme aeroshell era inclinato di un angolo, permettendo alla navicella di manovrare mentre colpiva la sottile atmosfera di Marte, mirando a una specifica zona di atterraggio.

A circa 131 chilometri di altitudine, la navicella avrebbe iniziato a sparare i propulsori per regolare la traiettoria mentre si avvicinava alla superficie di Marte.

Dopo circa 80 secondi di volo attraverso l'atmosfera, le temperature sullo scudo termico sono salite a 2, 100 gradi Celsius. Per evitare lo scioglimento, lo scudo termico è stato realizzato con un materiale speciale chiamato ablatore di carbonio impregnato fenolico, o PICA, lo stesso materiale che SpaceX utilizza per le sue Dragon Capsule.

Una volta che aveva rallentato la sua velocità fino a un livello inferiore a Mach 2.2, la navicella ha dispiegato il più grande paracadute mai costruito per una missione su Marte - 16 metri di diametro. Questo paracadute potrebbe generare 29, 000 chilogrammi di forza di resistenza, rallentandolo ancora di più.

Le linee di sospensione erano realizzate in Technora e Kevlar, che sono praticamente i materiali più resistenti e resistenti al calore che conosciamo.

Poi ha gettato a mare il suo paracadute e ha usato motori a razzo per rallentare ancora di più la sua discesa. Quando era abbastanza vicino, Curiosity ha dispiegato una gru aerea che ha abbassato dolcemente il rover in superficie.

Questa è la versione veloce. Se vuoi un'ampia panoramica di ciò che Curiosity ha attraversato atterrando su Marte, Consiglio vivamente di dare un'occhiata a Emily Lakdawalla? Il design e l'ingegneria della curiosità .

Andare più pesante non scala

Vuoi fare la stessa cosa con carichi più pesanti? Sono sicuro che stai immaginando aeroshell più grandi, paracadute più grandi, gru più grandi. In teoria, la SpaceX Starship invierà 100 tonnellate di coloni e la loro roba sulla superficie di Marte.

Ecco il problema. I metodi di decelerazione nell'atmosfera marziana non si adattano molto bene.

Primo, cominciamo con i paracadute. Ad essere onesti, a 1 tonnellata, La curiosità è quanto di più pesante si possa ottenere usando un paracadute. Qualsiasi più pesante, e non ci sono ingegneri dei materiali che possono utilizzare in grado di gestire il carico di decelerazione.

Un paio di mesi fa, Gli ingegneri della NASA hanno celebrato il successo del test dell'esperimento di ricerca sull'inflazione del paracadute supersonico avanzato, o ASPIRE. Questo è il paracadute che verrà utilizzato per la missione rover Mars 2020.

Hanno messo il paracadute fatto di tessuti compositi avanzati come il nylon, Technora e Kevlar, su un razzo sonda e lo lanciò a un'altitudine di 37 chilometri, imitando le condizioni che la navicella sperimenterà quando arriverà su Marte.

Il paracadute si dispiega in una frazione di secondo, e quando è completamente gonfiato, sperimentato 32, 000 chilogrammi di forza. Se tu fossi a bordo in quel momento, sperimenteresti una forza 3,6 volte superiore a quella di sbattere contro un muro a 100 km/h indossando la cintura di sicurezza. In altre parole, non sopravviveresti.

Se l'astronave fosse più pesante, il paracadute dovrebbe essere fatto di tessuti compositi impossibili. E dimentica i passeggeri.

La NASA ha provato idee per sbarcare carichi utili fino a 3 tonnellate su Marte. Un'idea si chiama deceleratore supersonico a bassa densità, o LDSD. L'idea è quella di utilizzare un deceleratore aerodinamico molto più grande che si gonfierebbe intorno alla navicella come un castello gonfiabile quando entra nella gravità marziana.

Nel 2015, La NASA ha effettivamente testato questa tecnologia, trasportare un prototipo di veicolo su un pallone ad un'altitudine di 36 chilometri. Il veicolo ha quindi lanciato il suo razzo solido, portandolo a un'altitudine di 55 chilometri.

Mentre stava schizzando verso l'alto, ha gonfiato il suo deceleratore aerodinamico gonfiabile supersonico fino a un diametro di sei metri (o 20 piedi), che poi lo ha rallentato fino a Mach 2.4. Sfortunatamente, il suo paracadute non è riuscito a dispiegarsi correttamente, così si è schiantato nell'Oceano Pacifico.

Questo è il progresso. Se riescono davvero a capire l'ingegneria e la fisica, un giorno potremmo vedere un'astronave da tre tonnellate atterrare sulla superficie di Marte. Tre tonnellate intere.

più propulsione, Meno carico

La prossima idea per scalare un atterraggio su Marte è usare più propulsione. In teoria, puoi semplicemente portare più carburante, lancia i tuoi razzi quando arrivi su Marte, e cancellare tutta quella velocità. Il problema, Certo, è che più massa devi portare per decelerare, minore è la massa che puoi effettivamente atterrare sulla superficie di Marte.

La SpaceX Starship dovrebbe utilizzare un atterraggio propulsivo per portare 100 tonnellate sulla superficie di Marte. Perché sta prendendo un approccio più diretto, percorso più veloce, l'astronave colpirà l'atmosfera marziana più velocemente di 8,5 km/s e quindi utilizzerà le forze aerodinamiche per rallentare il suo ingresso.

Non deve andare così veloce, Certo. L'astronave potrebbe usare l'aerofrenatura, passando attraverso l'alta atmosfera diverse volte per dissanguare velocità. Infatti, questo è il metodo utilizzato dai veicoli spaziali orbitali diretti su Marte.

Ma poi i passeggeri a bordo dovrebbero impiegare settimane affinché la navicella rallenti e vada in orbita attorno a Marte, e poi discendere attraverso l'atmosfera.

Secondo Elon Musk, la sua strategia deliziosamente poco intuitiva per gestire tutto quel calore è costruire la navicella spaziale in acciaio inossidabile, e poi minuscoli fori nel guscio espelleranno carburante metano per mantenere fresco il lato sopravvento della navicella spaziale.

Una volta che perde abbastanza velocità, girerà, accendi i suoi motori Raptor e atterra dolcemente sulla superficie di Marte.

Mira al suolo, Pull Up all'ultimo minuto

Ogni chilogrammo di carburante che l'astronave usa per rallentare la sua discesa sulla superficie di Marte è un chilogrammo di carico che non può portare in superficie. Non sono sicuro che ci sia una strategia praticabile che possa facilmente far atterrare carichi pesanti sulla superficie di Marte. Le persone più intelligenti di me pensano che sia praticamente impossibile senza usare enormi quantità di propellente.

Detto ciò, Elon Musk pensa che ci sia un modo. E prima di scartare le sue idee, osserviamo i due booster laterali del razzo Falcon Heavy atterrare perfettamente insieme. E non prestare attenzione a quello che è successo al booster centrale.

Un nuovo studio del Dipartimento aerospaziale dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign propone che le missioni su Marte potrebbero sfruttare l'atmosfera più densa che è più vicina alla superficie di Marte.

Nel loro articolo intitolato "Opzioni di traiettoria di ingresso per veicoli ad alto coefficiente balistico su Marte, " i ricercatori propongono che i veicoli spaziali che volano su Marte non hanno bisogno di avere tanta fretta per liberarsi della loro velocità.

Mentre la navicella sta urlando attraverso l'atmosfera, sarà ancora in grado di generare molto sollevamento aerodinamico, che potrebbe essere usato per guidarlo attraverso l'atmosfera.

Hanno eseguito i calcoli e hanno scoperto che l'angolo ideale era puntare la navicella verso il basso e tuffarsi verso la superficie. Quindi, all'ultimo momento possibile, tirati su usando l'ascensore aerodinamico per volare lateralmente attraverso la parte più spessa dell'atmosfera.

Ciò aumenta la resistenza e ti consente di liberarti della maggior quantità di velocità prima di accendere i motori di discesa e completare l'atterraggio motorizzato.

che suona, ehm, divertimento.

Se l'umanità costruirà un futuro possibile sulla superficie di Marte, dovremo risolvere questo problema. Avremo bisogno di sviluppare una serie di tecnologie e tecniche che rendano l'atterraggio su Marte più affidabile e sicuro. Sospetto che sarà molto più impegnativo di quanto le persone si aspettano, ma attendo con ansia le idee che verranno testate nei prossimi anni.