Jak posadowić człowieka na Marsie?
Wysłanie człowieka na Marsa wymaga rozwiązania całego szeregu problemów technicznych, a jednym z nich jest samo lądowanie na Czerwonej Planecie. Dotychczas najcięższym obiektem, jaki udało się na niej posadowić jest ważący 1 tonę łazik Curiosity. Tymczasem wysłanie bardziej złożonej misji automatycznej czy w końcu ludzi, będzie wymagało przeprowadzenia miękkiego lądowania obiektu o masie od 5 do 20 ton.
Christopher G. Lorenz i Zachary R. Putnam są autorami zamówionego przez NASA studium pt. „Entry Trajectory Options for High Ballistic Coefficient Vehicles at Mars”, które opublikowano w Journal of Spacecraft and Rockets.
Zwykle lądujący obiekt wchodzi w atmosferę Marsa z prędkością około 30 Mach, szybko zwalnia, rozwija spadochrony, a na końcu ląduje za pomocą silników lub poduszek powietrznych. Niestety spadochrony nie skalują się dobrze wraz z rosnącą masą obiektu. Nowy pomysł polega na rezygnacji ze spadochronu i wykorzystaniu większych silników rakietowych, mówi profesor Zach Putnam z University of Illinois at Urbana-Champaign.
Zaproponowana metoda zakłada, że gdy lądujący obiekt spowolni do prędkości Mach 3 zostaną uruchomione silniki hamujące o ciągu wstecznym, które na tyle go spowolnią, iż będzie mógł bezpiecznie wylądować. Problem jednak w tym, że manewr ten będzie wymagał dużej ilości paliwa. Paliwo to zwiększa masę misji, co z kolei czyni ją znacznie droższą, nie mówiąc już o tym, że to dodatkowe paliwo trzeba wynieść z powierzchni Ziemi, zużywając przy tym jeszcze więcej paliwa. Obecnie nie istnieje system rakietowy zdolny do wyniesienia takiej masy. Ponadto, co równie ważne, każdy kilogram paliwa oznacza kilogram mniej innego ładunku: ludzi, instrumentów naukowych, zaopatrzenia itp. itd.
Gdy pojazd porusza się z prędkością ponaddźwiękową to jeszcze przed uruchomieniem silników tworzy się siła nośna, którą możemy wykorzystać do sterowania. Jeśli przesuniemy środek ciężkości pojazdu tak, by był on bardziej obciążony z jednej strony, poleci on pod innym kątem. Mamy pewną możliwość kontroli podczas wejścia w atmosferę, obniżania lotu i lądowania. Przy prędkości ponaddźwiękowej możemy użyć siły nośnej do sterowania. Po uruchomieniu silników możemy ich użyć do bardzo precyzyjnego lądowania. Mamy więc do wyboru, albo spalić więcej paliwa, by wylądować z jak największą precyzją, albo nie przejmować się precyzją, oszczędzić paliwo i wysłać tam jak najcięższy pojazd, albo też znaleźć złoty środek pomiędzy tymi rozwiązaniami, wyjaśnia Putnam.
Zatem główne pytanie brzmi, jeśli wiemy, że będziemy uruchamiać silniki hamujące przy, powiedzmy, Mach 3, to jak powinniśmy sterować pojazdem by zużyć jak najmniej paliwa a zmaksymalizować masę ładunku. Wysokość, na jakiej uruchomimy silniki hamujące jest niezwykle ważna w celu maksymalizacji masy ładunku, jaką możemy wysłać. Ale również ważny jest kąt wektora prędkości pojazdu względem horyzontu, innymi słowy, jak ostro pojazd będzie nurkował, dodaje uczony.
Putnam i Lorenz przeprowadzili wyliczenia, które dały odpowiedź na pytanie o sposób najlepszego użycia siły nośnej i optymalne techniki kontroli przy maksymalnej masie pojazdu w zależności od konfiguracji pojazdu, warunków atmosferycznych oraz szerokości geograficznej na jakiej będzie on lądował.
Okazuje się, że najlepszym rozwiązaniem jest wejście w atmosferę tak, by wektor siły nośnej był skierowany w dół. Potem, w odpowiednim momencie, opierając się na czasie lub prędkości, należy podnieść wektor siły nośnej tak, by wyciągnąć pojazd z lotu nurkowego i żeby leciał on równolegle do planety na niskiej wysokości. Dzięki temu pojazd spędzi więcej czasu tam, gdzie atmosfera jest gęstsza, więc dodatkowo wyhamuje, dzięki czemu zaoszczędzimy paliwo potrzebne silnikom do lądowania.
Komentarze (16)
Daniel O'Really, 15 lutego 2019, 08:44
Przecież system pionowego lądowania jest już opracowany i przetestowany (Space-X). Kto im każe wynosić statek, załogę i paliwo za jednym zamachem z Ziemi? Jeśli najpierw wyniesię się na orbitę statek, a potem załogę i paliwo, to cały problem znika.
h4r, 15 lutego 2019, 09:54
Co cennego jest na Marsie? Na księżyc po Tryt było by krócej i łatwiej.
Dla mnie Mars będzie dla nas nieosiągalny przez kolejne 500lat. Pierwsi tam polecą szaleńcy, potem amatorzy , którym lot sfinansuje NASA, a na końcu milionerzy z długim życiem. Dla mnie największym zagrożeniem jest brak możliwości pomocy i ewakuacji bo o ile na Księżycu można by postawić jakąś niewielką kapsułę to z Marsa lot wymaga potężnych ilości paliwa i nie zawsze jest blisko. Przez najbliższe 500lat na Marsa to bilet w jedną stronę i gadanie Muska o tym że chciałby tam się zestarzeć jest poronione.
Flaku, 15 lutego 2019, 10:48
Marsa dużo łatwiej zasiedlić niż księżyc. Może i na księżycu jest tryt, ale jego mogłyby wydobywać maszyny, a zamieszkać lepiej na Marsie
Ergo Sum, 15 lutego 2019, 11:18
Z Marsa łatwiej jest startować niż z Ziemi (ciążenie, atmosfera). Życie na Marsie jest łatwiejsze niż na Księżycu - ochronna warstwa atmosfery (mizernej), większe ciążenie (mniej problemów zdrowotnych, czy uprawy roślin), inna struktura problematycznych pyłów. Tyle że na Księżycu są gotowe jaskiniszcza.
Samo wyniesienie na orbitę nie załatwia sprawy - bo potem masę trzeba i tak rozpędzić i spowolnić.
Co do problemów poruszonych w artykule - wygląda na to że trzeba zrobić dobrze sterowalny lądownik (ze skrzydłami?)
Gość kremien, 15 lutego 2019, 11:39
Hmm, ciekawa koncepcja. Na przykład po odrzuceniu osłony termicznej rozkładamy skrzydła szybując robimy kółka, co powinno wydłużyć czas hamowania i pozwolić na wybór miejsca lądowania. Potem oczywiscie spadochrony i hamowanie rakietami w ostatnim momencie.
No i 20 tonowy lądownik? Czy to badanie nie zakłada wysłania startu/lądowania za jednym podejściem? Np. kapsuła Red Dragon ma masę 6.5T + ładunek
thikim, 15 lutego 2019, 14:45
Koszty.
tempik, 16 lutego 2019, 18:51
To już chyba lepiej zdmuchnąć kurz z Discovery lub Endeavour i mieć lądownik za free
krzysztof B7QkDkW, 17 lutego 2019, 17:57
Pytanie po co? Dla celu.
Idea człowieka na Marsie wymaga gigantycznego skoku technologicznego :
Autonomiczne laboratoria, maszyny wszelkiego typu i specjalizacji, zamknięte systemy ekologiczne. wydajne i kompaktowe źródła energii.
Zasadniczo cała baza marsjańska, według mojego skromnego poglądu, powinna funkcjonować bez potrzeby obecności człowieka. Jak dotrzemy do takiego poziomu technologii to wyślemy ludzi międzyplanetarnym Uberem w wersji ekonomicznej, najlepiej w stanie anabiozy, co by niepotrzebnie tlenu nie zużywali. I przylecą na gotowe, do kolonii zrobionej "pod klucz".
Wtedy kwestia masy zniknie. Będziemy w stanie wysłać kolonistów przy obecnym poziomie technologii rakietowej.
Mars Science Laboratory, łazik Curiosity. Pojazd co ma masę 899 kg. To teraz pytanie skoro udało się umieścić na powierzchni prawie 900 kg, to ilu "śpiących" pasażerów da się upchnąć w lądownik? Patrząc na to co wyprawiają i na jakie pomysły wpadają prezesi tanich linii lotniczych dało by się odchudzić pasażerów do 60kg sztuka., wpakować w zaawansowane technologicznie "puszki po sardynkach" i powkładać warstwowo w ładownię lądownika"
Jajcenty, 17 lutego 2019, 18:49
Ale po co? Całe zasoby układu słonecznego mamy tutaj. Pas Kuipera i planetoid to prawie sam lód, a wagowo to mniej niż 0,2 masy Ziemi. Kosmiczne wyprawy po cenne surowce to raczej mrzonka, jedyne co może się przydać, to 3He z Księżyca, a na to nie ma jeszcze dużego parcia. Planety raczej wykorzystywałbym do ustawiania stacji orbitalnych ułatwiających eksplorację i obserwację. Nie ma po co schodzić na powierzchnię tylko po to, żeby za chwilę z ciężko walczyć z grawitacją przy starcie.
krzysztof B7QkDkW, 17 lutego 2019, 20:51
Księżyc będzie po drodze. Jako taka duża piaskownica do testowania technologii.
A co do surowców. Załóżmy prawdziwość pewnej tezy. "eksploatacja zasobów Ziemi niszczy jej ekosystem."
Księżyc jest martwy. Mars prawdopodobnie też. Więc wyobrażam sobie iskierki w oczach inżynierów wszelkich specjalności od materiałoznawców poprzez chemików, biochemików, mikrobiologów, geologów. Możemy testować wszystko!
Umieszczamy na Księżycu autonomiczne laboratoria testujące najbardziej zjadliwe patogeny znane ludzkości, organizmy modyfikowane genetycznie. umieszczamy tam fabryki używające najbardziej toksycznych substancji. Huty solarne wytapiające w piecach stopy metali o których inżynier na Ziemi może tylko pomarzyć. Nie ma "problemów ze składowaniem odpadów poprodukcyjnych, które z racji tego że nie ma na Księżycu atmosfery wystarczy przykryć stelażem obciągniętym folią termoizolacyjną żeby zamrozić je do temp -200 st C lub niższej.
Pozaziemskie obserwatoria astronomiczne, teleskopy różnego rodzaju też. Dyrektorzy jednostek badawczych i dali by się pokroić za radioteleskop na niewidocznej stronie Księżyca, ekranowany przez ponad 3 000 km skały od ziemskich zakłóceń.
A Mars? Większy i dalej, więc nawet złota, o ile tam jest nie opłacało by się sprowadzać. Z tym że przyjmijmy że z Księżycem nam się uda i zadziała ekonomia (znaczy będzie zysk) to jak będzie wówczas wyglądać życie na Ziemi? Przerobimy Ją w gigantyczny rezerwat, bo technologia potrzebna do skomercjalizowania Księżyca wydźwignęła by Ją do poziomów niewyobrażalnych dla współczesnych, albo coś w międzyczasie pójdzie nie tak i sami skończymy w rezerwatach, pod kopułami przypominającymi Biosferę 2 https://pl.wikipedia.org/wiki/Biosfera_2. W każdym z tych dwóch przypadków i we wszystkich pośrednich warto by mieć "zapas" Kolonie planetarne, księżycowe (nie tylko na naszym Księżycu), orbitalne (nie tylko na naszej orbicie). Żeby ktoś przeżył.
tempik, 18 lutego 2019, 12:22
nieeeee noooo.... macie argumenty jak moi rodzice.
Po co lecieć na tropikalną wyspę jak można sobie ją obejrzeć w TV? albo potaplać się w podobnym piasku na miejskim kąpielisku?
po co zdobywać szczyt ryzykując zwichnięciem nogi jeśli na tym nic się nie zarobi?
po co lecieć do Japonii zjeść sushi jak można prawie takie samo zjeść z biedronki?
gadacie jakbyście nigdy po kupnie nowego samochodu nie wybrali się na przejażdżkę, tak po prostu bez celu, żeby poczuć wolność i spalić trochę paliwa. Przecież człowiek ma wrodzoną ciekawość i potrzebę ekspansji.
Mars to kolejny test siły ludzkości i próba bicia kolejnych rekordów, to rodzaj sportu więc wszelkie argumenty ekonomiczne są tutaj mało istotne.
Jajcenty, 18 lutego 2019, 13:16
To raczej przesłanka za słusznością mojej argumentacji? Starsi na ogół biją nas doświadczeniem i mądrością, oraz należy im się szacunek
Taka romantyczna wizja podboju i eksploracji wystarcza tylko na chwilę. Potem okazuje się, że na takie tanie jak barszcz LHC trzeba żebrać latami, a i tak powstało tylko dlatego, senat okazał się zdominowany przez pragmatyków i nie dał kasy na romantyczną eksplorację wysokich energii.
Nie jestem przeciwko eksploracji kosmosu, jestem przeciwko startowaniu okrakiem na beczce nafty z tlenem, po to tylko, by zaraz potem, na identycznej beczce, okrakiem lądować na Marsie i tak w kółko. Ledwośmy wychnęli z jednej studni, to zwłasnej woli wpakujemy się w drugą. Ponieważ technicznie zakładanie baz jest bez sensu, to może mieć tylko sens polityczny.
IMHO, potrzeba nam stacji kosmicznych ze sztucznym ciążeniem, osłaniających przed promieniowaniem, zdolnych chronić załogę latami. Możemy se taką stację zaparkować po ciemnej stronie, albo w punkcie Lagrange'a, albo zrobić z nich radioteleskop o kosmicznych rozmiarach. Start i lądowanie możemy se poćwiczyć w domu, nie musimy z tym gnać na Marsa.
BTW. Wikingowie, Kolumb to nie byli takimi romantykami znowu. Sporty ekstremalne nie są uprawiane z altruizmu, a podejrzewam, że za każdym odkrywcą stał sponsor oczekujący zwrotu z inwestycji. Także tego... Latajmy w ten Kosmos, ale z sensem!
tempik, 18 lutego 2019, 14:07
Szacunku nikomu nie ujmuję tylko stwierdzam fakt, że przychodzi wiek że każdy żeglarz czy podróżnik wraca do domu i ubiera kapcie i zmienia logikę na taką jak przedstawiłem, czyli miedzi innymi kalkulację "czy się opłaca". Odkrycia i progres raczej występuje w wieku "romantycznym" gdzie popełnia się wiele błędów, realizuje się wiele głupich,nielogicznych i ryzykownych pomysłów.
to pewnie też bez zrozumienia przyjmujesz fakt że Afrykanie przed milionami lat wyszli z Afryki, tak na piechotę ,bez butów i w palącym słońcu. Przecież mogli poczekać do dzisiaj, wsiąść w nowego diesla spełniającego normę Euro6 i jechać jak pany dokąd zechcą, racząc się wielostrefową klimą i muzyką lecącą z internetowego radia.
Twojej wygórowanej definicji "sensu" nie mamy szans dożyć przy lotach kosmicznych, więc wolę popatrzeć na bezsensowne latanie, tym bardziej że nie jest z moich podatków
darekp, 18 lutego 2019, 14:59
Tylko że koszty wyjścia z Afryki na piechotę nie był tak gigantyczny, jak wyprawy na Marsa ;P Ekonomia prędzej czy później i tak nas dopada:)
Żadni romantycy ani na piechotę nie dojdą na Marsa, ani nie dolecą, jeśli się skrzykną kupą i spróbują sklecić w garażu jakiś pojazd
tempik, 18 lutego 2019, 20:27
W tamtych czasach opuszczenie własnego siedliskach i pójście w nieznane, nie wiedząc nawet czy będzie woda po drodze nie było popołudniowym spacerem.
Ale przecież w NASA jest sporo romantyków którzy skaczą do góry jak przychodzi kolejna fotka z łazika. Gdy tymczasem dawni koledzy ze studiów skaczą do góry jak wypada im na konto kolejny milion zarobiony na giełdzie.
Bez tej nutki romantyzmu nie było by nic w tej dziedzinie bo przecież bardziej się opłaca być projektantem silników w boeing, technologiem metali i stopów w fabryce forda, itd
darekp, 18 lutego 2019, 22:15
Ale było technicznie wykonalne bez "szarpania się" na jakiś gigantyczny wysiłek ekonomiczny czy techniczny, czego - tak mi się wydaje - nie można powiedzieć o locie na Marsa. Żeby zawieźć człowieka na Marsa (mam na myśli wariant z lotem powrotnym na Ziemię, nie wyprawę w stylu Mars One, tj. w jedną stronę), trzeba dostarczyć na Marsa (albo na powierzchnię planety albo na orbitę) minimum pewnie (zgaduję) kilkaset ton sprzętu (sporej części z tego sprzętu nawet nie mamy wynalezionej, np. autonomiczne roboty, które by wybudowały domy dla kosmonautów na pow. Marsa*). Gdyby to było 500 ton, to mielibyśmy masę porównywalną z Międzynarodową Stacją Kosmiczną - a wiemy ile zbudowanie jej pochłonęło czasu i pieniędzy. Teraz doliczmy jeszcze koszt przewiezienia jej na orbitę marsjańską (a to i tak nie koniec kosztów).
*) Wszystkie plany lotów zakładają wykorzystywanie odpowiedniej względnej pozycji Ziemi i Marsa, co prowadzi do scenariusza, w którym ludzie - po dotarciu do Marsa - musieli by oczekiwać ok. 1-2 lata na dogodną sytuację do powrotu. Można sobie wyobrazić scenariusz, w którym lądują na Marsie, zatykają chorągiewkę i od razu wracają na orbitę wokółmarsjańską, po której krążą te 1-2 lata, aż będą mogli wrócić, ja w ten scenariusz nie wierzę, chociażby dlatego, że to byłby pewnie zbyt długi (niebezpiecznie długi) czas przebywania w nieważkości, więc przyjmuję, że przez większość tego czasu będą mieszkali na powierzchni Marsa (albo pod powierzchnią - w jakiejś jaskini chociażby).
Już samo dostarczenie im źródła energii na 1-2 lata to pewnie jest nietrywialna sprawa, odległość od Słońca jest sporo większa niż w przypadku Ziemi, panele słoneczne będą mniej wydajne, na wyczucie strzelam, że pewnie będzie potrzebny jakiś mały reaktor jądrowy. A dostarczyć taki reaktorek na Marsa (oczywiście w stanie sprawnym) to już co najmniej kilka zagadnień, w których mamy nieprzetartą ścieżkę.