La curiosidad pasa a la atmósfera marciana. Crédito:NASA / JPL
Es una lástima que Marte sea un lugar tan interesante, porque en realidad es uno de los lugares más difíciles de visitar del sistema solar, especialmente si quieres llevar mucho equipaje. Ese planeta es un cementerio de misiones que no lo lograron.
A medida que nuestras ambiciones crecen, y pensamos en explorar Marte con humanos, tal vez incluso futuros colonos, vamos a necesitar resolver uno de los mayores problemas en la exploración espacial:aterrizar con éxito cargas útiles pesadas en la superficie de Marte es realmente, realmente difícil de hacer.
Hay un montón de desafíos con Marte, incluyendo su falta de una magnetosfera protectora y menor gravedad superficial. Pero uno de los más grandes es su fina atmósfera de dióxido de carbono. Si estuvieras parado en la superficie de Marte sin un traje espacial, te morirías de frío y te asfixiarías por falta de oxígeno. Pero también experimentaría menos del 1 por ciento de la presión atmosférica que disfruta aquí en la Tierra.
Y resulta que esta delgada atmósfera hace que sea increíblemente desafiante llevar cargas útiles significativas a la superficie del planeta rojo de manera segura. De hecho, sólo el 53 por ciento de las misiones a Marte han funcionado correctamente. Así que hablemos de cómo han funcionado las misiones a Marte en el pasado, y te mostraré cuál es el problema.
Aterrizar en Marte es lo peor
Históricamente, las misiones a Marte se lanzan desde la Tierra durante las ventanas de vuelo que se abren aproximadamente cada dos años cuando la Tierra y Marte están más cerca. ExoMars voló en 2016, InSight en 2018, y el rover Mars 2020 volará, bien, 2020.
Las misiones siguen una trayectoria de transferencia interplanetaria diseñada para llegar más rápido, o con la menor cantidad de combustible.
Cuando la nave espacial entra en la atmósfera de Marte, va decenas de miles de kilómetros por hora. De alguna manera, tiene que perder toda esa velocidad antes de aterrizar suavemente en la superficie del Planeta Rojo.
Aquí en la tierra, puedes usar la espesa atmósfera terrestre para ralentizar tu descenso, sangrando tu velocidad con un escudo térmico. Las baldosas del transbordador espacial fueron diseñadas para absorber el calor del reingreso, cuando el orbitador de 77 toneladas pasó de 28, 000 km / ha cero.
Se podría utilizar una técnica similar en Venus o Titán, que tienen atmósferas espesas.
La luna, sin ninguna atmósfera en absoluto, es relativamente sencillo de aterrizar, así como. Sin atmósfera alguna no es necesario un escudo térmico; simplemente usa la propulsión para ralentizar su órbita y aterrizar en la superficie. Siempre que traiga suficiente propulsor, puedes pegar el aterrizaje.
De regreso a Marte con una nave espacial lanzándose hacia su delgada atmósfera a más de 20, 000 kilómetros por hora.
Impresión artística del InSight Lander comenzando su entrada, fase de descenso y aterrizaje (EDL) a Marte. Crédito:NASA
La curiosidad es el límite
Tradicionalmente, Las misiones han comenzado su descenso con un aeroshell para eliminar parte de la velocidad de la nave espacial. La misión más pesada jamás enviada a Marte fue Curiosity, que pesaba 1 tonelada métrica, o 2, 200 libras.
Cuando entró en la atmósfera marciana, iba a 5,9 kilómetros por segundo, o 22, 000 kilómetros por hora.
Curiosity tenía el aeroshell más grande jamás enviado a Marte, mide 4,5 metros de ancho. Este enorme aeroshell estaba inclinado en ángulo, permitiendo que la nave espacial maniobre al chocar contra la fina atmósfera de Marte, apuntando a una zona de aterrizaje específica.
A unos 131 kilómetros de altitud, la nave espacial comenzaría a disparar propulsores para ajustar la trayectoria a medida que se acercaba a la superficie de Marte.
Después de unos 80 segundos de vuelo a través de la atmósfera, las temperaturas en el escudo térmico subieron a 2, 100 grados centígrados. Para evitar que se derrita, el escudo térmico se hizo con un material especial llamado ablador de carbono impregnado con fenólico, o PICA, el mismo material que utiliza SpaceX para sus Dragon Capsules.
Una vez que había disminuido su velocidad por debajo de Mach 2.2, la nave espacial desplegó el paracaídas más grande jamás construido para una misión a Marte:16 metros de diámetro. Este paracaídas podría generar 29, 000 kilogramos de fuerza de arrastre, ralentizándolo aún más.
Ilustración de la grúa aérea de Curiosity, colocándolo suavemente en Marte. Crédito:NASA / JPL
Las líneas de suspensión estaban hechas de Technora y Kevlar, que son prácticamente los materiales más fuertes y resistentes al calor que conocemos.
Luego arrojó su paracaídas y usó motores de cohetes para ralentizar aún más su descenso. Cuando estuvo lo suficientemente cerca Curiosity desplegó una grúa aérea que bajó el rover suavemente a la superficie.
Esta es la versión rápida. Si desea una descripción general extensa de lo que pasó Curiosity al aterrizar en Marte, Te recomiendo encarecidamente que eches un vistazo a Emily Lakdawalla El diseño y la ingeniería de la curiosidad .
Ir más pesado no escala
¿Quiere hacer lo mismo con cargas útiles más pesadas? Estoy seguro de que estás imaginando aeroconchas más grandes paracaídas más grandes, skycranes más grandes. En teoria, la nave espacial SpaceX enviará 100 toneladas de colonos y sus cosas a la superficie de Marte.
Aquí está el problema. Los métodos de desaceleración en la atmósfera marciana no se amplían muy bien.
Ilustración artística de la nave espacial SpaceX. Crédito:SpaceX
Primero, empecemos por los paracaídas. Para ser sincero, a 1 tonelada, La curiosidad es tan pesada como puede ser usando un paracaídas. Algo más pesado, y simplemente no hay materiales que los ingenieros puedan usar que puedan manejar la carga de desaceleración.
Hace un par de meses, Los ingenieros de la NASA celebraron la prueba exitosa del Experimento de investigación de inflación de paracaídas supersónico avanzado, o ASPIRE. Este es el paracaídas que se utilizará para la misión del rover Mars 2020.
Pusieron el paracaídas hecho de tejidos compuestos avanzados como nailon, Technora y Kevlar, sobre un cohete sonda y lo lanzó a una altitud de 37 kilómetros, imitando las condiciones que experimentará la nave espacial cuando llegue a Marte.
El paracaídas se desplegó en una fracción de segundo, y cuando está completamente inflado, experimentado 32, 000 kilogramos de fuerza. Si estaba a bordo en ese momento, experimentaría 3,6 veces más fuerza que chocar contra una pared a 100 km / h con el cinturón de seguridad. En otras palabras, no sobrevivirías.
Si la nave espacial fuera más pesada, el paracaídas tendría que estar hecho de tejidos compuestos imposibles. Y olvídate de los pasajeros.
La NASA ha estado probando ideas para aterrizar cargas útiles de hasta 3 toneladas en Marte. Una idea se llama desacelerador supersónico de baja densidad, o LDSD. La idea es utilizar un desacelerador aerodinámico mucho más grande que se inflaría alrededor de la nave espacial como un castillo hinchable al entrar en la gravedad marciana.
La carga útil de ASPIRE se separa de su propulsor. Crédito:NASA / JPL / Caltech
En 2015, La NASA realmente probó esta tecnología, llevar un vehículo prototipo en un globo a una altitud de 36 kilómetros. El vehículo luego disparó su cohete sólido, llevándolo a una altitud de 55 kilómetros.
Mientras se disparaba hacia arriba, Infló su desacelerador aerodinámico inflable supersónico a un diámetro de seis metros (o 20 pies), que luego lo ralentizó de nuevo a Mach 2.4. Desafortunadamente, su paracaídas no se desplegó correctamente, por lo que se estrelló contra el Océano Pacífico.
Eso es progreso. Si realmente pueden resolver la ingeniería y la física, Algún día podríamos ver naves espaciales de tres toneladas aterrizando en la superficie de Marte. Tres toneladas enteras.
Más propulsión, Menos carga
La siguiente idea para escalar un aterrizaje en Marte es utilizar más propulsión. En teoria, puedes llevar más combustible, dispara tus cohetes cuando llegues a Marte, y cancelar toda esa velocidad. El problema, por supuesto, es que cuanta más masa tengas que llevar para desacelerar, menos masa puede aterrizar en la superficie de Marte.
Se espera que la nave espacial SpaceX utilice un aterrizaje propulsor para llevar 100 toneladas a la superficie de Marte. Porque se está tomando un enfoque más directo, camino más rápido, la nave espacial llegará a la atmósfera marciana a más de 8,5 km / sy luego utilizará fuerzas aerodinámicas para ralentizar su entrada.
No tiene que ir tan rápido por supuesto. El Starship podría usar aerofrenado, pasando a través de la atmósfera superior varias veces para eliminar la velocidad. De hecho, este es el método que utilizan las naves espaciales orbitales que van a Marte.
Ilustración artística del desacelerador supersónico de baja densidad. Crédito:NASA
Pero luego los pasajeros a bordo tendrían que pasar semanas para que la nave espacial se desacelere y entre en órbita alrededor de Marte. y luego descender por la atmósfera.
Según Elon Musk, Su estrategia deliciosamente poco intuitiva para manejar todo ese calor es construir la nave espacial de acero inoxidable, y luego pequeños agujeros en el caparazón purgarán el combustible de metano para mantener fresco el lado de barlovento de la nave espacial.
Una vez que pierde suficiente velocidad, se convertirá Encienda sus motores Raptor y aterrice suavemente en la superficie de Marte.
Apunta al suelo, Tire hacia arriba en el último minuto
Cada kilogramo de combustible que utiliza la nave espacial para ralentizar su descenso a la superficie de Marte es un kilogramo de carga que no puede llevar a la superficie. No estoy seguro de que exista una estrategia viable que permita aterrizar fácilmente cargas pesadas en la superficie de Marte. Las personas más inteligentes que yo piensan que es prácticamente imposible sin usar enormes cantidades de propulsor.
Dicho eso Elon Musk cree que hay una manera. Y antes de descartar sus ideas, veamos cómo los propulsores laterales gemelos del cohete Falcon Heavy aterrizan perfectamente juntos. Y no prestes atención a lo que pasó con el amplificador central.
Ilustración de la nave espacial SpaceX aterrizando en Marte. Crédito:SpaceX
Un nuevo estudio del Departamento Aeroespacial de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign propone que las misiones a Marte podrían aprovechar la atmósfera más espesa que está más cerca de la superficie de Marte.
En su artículo titulado "Opciones de trayectoria de entrada para vehículos de alto coeficiente balístico en Marte, “Los investigadores proponen que las naves espaciales que vuelan a Marte no necesitan tener tanta prisa para deshacerse de su velocidad.
Mientras la nave espacial grita a través de la atmósfera, aún podrá generar mucha elevación aerodinámica, que podría usarse para conducirlo a través de la atmósfera.
Hicieron los cálculos y encontraron que el ángulo ideal era apuntar la nave espacial hacia abajo y sumergirse hacia la superficie. Luego, en el último momento posible, tire hacia arriba utilizando el elevador aerodinámico para volar de lado a través de la parte más gruesa de la atmósfera.
Esto aumenta la resistencia y le permite deshacerse de la mayor cantidad de velocidad antes de encender los motores de descenso y completar su aterrizaje motorizado.
Eso suena, um, divertida.
Si la humanidad va a construir un futuro viable en la superficie de Marte, vamos a necesitar resolver este problema. Necesitaremos desarrollar una serie de tecnologías y técnicas que hagan que el aterrizaje en Marte sea más confiable y seguro. Sospecho que será mucho más desafiante de lo que la gente espera, pero espero con ansias las ideas que se pondrán a prueba en los próximos años.
