التحدي الهائل المتمثل في إنزال حمولات ثقيلة على كوكب المريخ

من المثير جدًا أن المريخ مكان مثير للاهتمام ، لأنه في الواقع أحد أصعب الأماكن التي يمكن زيارتها في المجموعة الشمسية ، خاصة إذا كنت ترغب في إحضار الكثير من الأمتعة. هذا الكوكب هو مقبرة للبعثات التي لم تنجح تمامًا.

مع نمو طموحاتنا ، ونفكر في استكشاف كوكب المريخ مع البشر - وربما حتى المستعمرين المستقبليين - سنحتاج إلى حل واحدة من أكبر المشكلات في استكشاف الفضاء.

من الصعب حقا القيام بهبوط حمولات ثقيلة على سطح المريخ.

هناك مجموعة من التحديات مع كوكب المريخ ، بما في ذلك افتقاره إلى الغلاف المغناطيسي الواقي وانخفاض جاذبية السطح. لكن أحد أكبرها هو الغلاف الجوي الرقيق لثاني أكسيد الكربون.

إذا كنت تقف على سطح المريخ بدون بدلة فضائية ، فسوف تتجمد حتى الموت والاختناق بسبب نقص الأكسجين. ولكنك ستختبر أيضًا أقل من 1٪ من الضغط الجوي الذي تستمتع به هنا على الأرض.

واتضح أن هذا الجو الرقيق يجعل من الصعب للغاية الحصول على حمولات كبيرة بأمان على سطح الكوكب الأحمر. في الواقع ، 53٪ فقط من الرحلات إلى المريخ عملت بشكل صحيح.

فلنتحدث عن كيفية عمل البعثات إلى المريخ في الماضي ، وسأوضح لك ما هي المشكلة.

الهبوط على سطح المريخ هو الأسوأ

تاريخيا ، يتم إطلاق المهام إلى المريخ من الأرض خلال نوافذ الطيران التي تفتح كل عامين أو نحو ذلك عندما يكون الأرض والمريخ أقرب إلى بعضهما البعض. طار ExoMars في عام 2016 ، و InSight في عام 2018 وسيطير روفر مارس 2020 ، جيدًا ، 2020.

تتبع البعثات مسار التحويل بين الكواكب المصممة إما للوصول إلى هناك أسرع ، أو بأقل قدر من الوقود.

عندما تدخل المركبة الفضائية جو المريخ ، فإنها تسير عشرات الآلاف من الكيلومترات في الساعة. عليها أن تفقد كل هذه السرعة بطريقة ما قبل الهبوط برفق على سطح الكوكب الأحمر.

هنا على الأرض ، يمكنك استخدام الغلاف الجوي السميك لإبطاء نزولك ، والنزيف من سرعتك باستخدام درع حراري. تم تصميم بلاط المكوك الفضائي لامتصاص حرارة الدخول مرة أخرى ، حيث أن 77 طنا من المدار ذهب من 28000 كم / ساعة إلى الصفر.

يمكن استخدام تقنية مماثلة على الزهرة أو تيتان ، حيث يكون لها أجواء سميكة.

القمر ، بدون أي جو على الإطلاق ، سهل نسبياً للهبوط عليه أيضًا. بدون أي جو على الإطلاق ، ليست هناك حاجة لدرع حراري ، ما عليك سوى استخدام الدفع لإبطاء مدارك وهبوطك على السطح. طالما أنك تحضر كمية كافية من الوقود ، يمكنك التمسك بالهبوط.

العودة إلى المريخ ، مع مركبة فضائية تجوب في غلافها الرقيق أكثر من 20000 كيلومتر في الساعة.

الفضول هو الحد

تقليديا ، بدأت البعثات هبوطها مع جلبة لإزالة بعض سرعة المركبة الفضائية. كانت المهمة الأثقل التي تم إرسالها إلى المريخ على الإطلاق هي الفضول ، الذي بلغ وزنه 1 طن متري ، أو 2200 رطل.

عندما دخلت الغلاف الجوي للمريخ ، كانت تسير 5.9 كيلومتر في الثانية ، أو 22000 كيلومتر في الساعة.

كان لدى كيوريوسيتي أكبر صاروخ تم إرساله إلى المريخ ، يبلغ عرضه 4.5 متر. تم إمالة هذا القاذف الضخم بزاوية ، مما سمح للمركبة الفضائية بالمناورة أثناء وصولها إلى الغلاف الجوي الرقيق للمريخ ، بهدف منطقة هبوط محددة.

على ارتفاع حوالي 131 كيلومترًا ، ستبدأ المركبة الفضائية في إطلاق الدوافع لضبط المسار بشكل مثالي مع اقترابها من سطح المريخ.

حوالي 80 ثانية من الطيران عبر الغلاف الجوي ، ارتفعت درجات الحرارة على الدرع الحراري إلى 2100 درجة مئوية. من أجل عدم الذوبان ، استخدم الدرع الحراري مادة خاصة تسمى Phenolic Impregnated Carbon Ablator ، أو PICA. بالمناسبة ، تستخدم نفس المواد التي تستخدمها SpaceX لكبسولات التنين.

بمجرد أن تباطأت سرعتها إلى ما يقل عن 2.2 ماخ ، نشرت المركبة الفضائية أكبر مظلة على الإطلاق تم إنشاؤها لمهمة إلى المريخ - بعرض 16 مترًا. يمكن لهذه المظلة أن تولد 29000 كيلوغرام من قوة السحب ، مما يبطئها أكثر.

كانت خطوط التعليق مصنوعة من Technora و Kevlar ، وهما من أقوى المواد وأكثرها مقاومة للحرارة التي نعرفها.

ثم تخلت عن مظلتها واستخدمت محركات الصواريخ لإبطاء هبوطها أكثر. عندما كانت قريبة بما فيه الكفاية ، نشرت Curiosity Skycrane خفضت المركبة إلى أسفل برفق.

هذه هي النسخة السريعة. إذا كنت ترغب في الحصول على نظرة عامة شاملة حول ما ذهب إليه الفضول في الهبوط على كوكب المريخ ، فإنني أوصيك بشدة بالاطلاع على "تصميم وهندسة الفضول" لإميلي لاكداوالا.

وزن الفضول طن واحد فقط.

زيادة الوزن لا تتدرج

هل تريد أن تفعل نفس الشيء مع حمولات أثقل؟ أنا متأكد من أنك تتخيل طائرات أكبر ، مظلات أكبر ، أكبر سكاكران.

من الناحية النظرية ، سترسل SpaceX Starship 100 طن من المستعمرين وأشياءهم إلى سطح المريخ.

ها هي المشكلة. طرق التباطؤ في جو المريخ لا تتطور بشكل جيد للغاية.

أولاً ، لنبدأ بالمظلات. لنكون صادقين ، في 1 طن ، فإن الفضول ثقيل بقدر ما يمكنك الحصول على مظلة. أي أثقل ولا يوجد أي مواد يمكن للمهندسين استخدامها للتعامل مع حمل التباطؤ.

قبل شهرين ، احتفل مهندسو وكالة ناسا باختبار ناجح لتجربة تضخم المظلات الأسرع من الصوت المتقدمة ، أو ASPIRE. هذه هي المظلة التي سيتم استخدامها في مهمة Mars 2020 rover.

وضعوا المظلة المصنوعة من الأقمشة المركبة المتقدمة ، مثل النايلون ، تكنورا وكيفلر ، على صاروخ سبر وأطلقوه على ارتفاع 37 كيلومترًا ، محاكين الظروف التي ستمر بها المركبة الفضائية عند وصولها إلى المريخ.

شهدت المظلة المنتشرة في جزء من الثانية ، ومنتفخة بالكامل ، 32000 كجم من القوة. إذا كنت على متن الطائرة في ذلك الوقت ، فستواجه قوة تبلغ 3.6 مرة مثل الاصطدام بجدار تسير بسرعة 100 كم / ساعة مرتدية حزام الأمان. بعبارة أخرى ، لن تعيش.

إذا كانت المركبة الفضائية أثقل ، فستكون بحاجة إلى أن تكون مصنوعة من أقمشة مركبة مستحيلة. وننسى الركاب.

تحاول وكالة ناسا تجربة أفكار مختلفة للهبوط على حمولات أثقل على المريخ ، مثل ما يصل إلى 3 أطنان.

فكرة واحدة تسمى المبطئ الصوتي منخفض الكثافة ، أو LDSD. والفكرة هي استخدام مبطئ ديناميكي هوائي أكبر بكثير من شأنه أن يتضخم حول المركبة الفضائية مثل قلعة نطاطية عندما تدخل الجاذبية المريخية.

في عام 2015 ، اختبرت وكالة ناسا هذه التكنولوجيا بالفعل ، وحملت مركبة نموذجية على بالون على ارتفاع 36 كيلومترًا. ثم أطلقت السيارة صاروخها الصلب وحملته على ارتفاع 55 كيلومترا.

بينما كانت تصعد إلى الأعلى ، قامت بتضخيم مبطئها الهوائي الديناميكي فوق الصوتي إلى قطر 6 أمتار (أو 20 قدمًا) ، مما أدى إلى تباطؤها مرة أخرى إلى 2.4 ماخ. لسوء الحظ ، فشلت مظلتها في الانتشار بشكل صحيح ، لذلك تحطمت في المحيط الهادئ.

هذا تقدم. إذا استطاعوا فعلًا العمل على الهندسة والفيزياء ، يمكننا يومًا ما رؤية 3 أطنان من المركبات الفضائية تهبط على سطح المريخ. ثلاثة أطنان كاملة.

دفع أكثر ، شحن أقل

الفكرة التالية لتوسيع هبوط المريخ هي استخدام المزيد من الدفع. نظريًا ، يمكنك حمل المزيد من الوقود ، وإطلاق الصواريخ الخاصة بك عند وصولك إلى المريخ ، وإلغاء كل هذه السرعة. تكمن المشكلة بالطبع في أنه كلما زادت الكتلة التي يجب أن تحملها لإبطاء الكتلة ، كلما قلت الكتلة التي يمكنك الهبوط عليها بالفعل على سطح المريخ.

من المتوقع أن تستخدم SpaceX Starship هبوطًا مدفوعًا للحصول على 100 طن إلى سطح المريخ. نظرًا لأنها تتخذ مسارًا مباشرًا وسريعًا أكثر ، ستصل المركبة الفضائية إلى الغلاف الجوي للمريخ بشكل أسرع من 8.5 كم / ثانية ، ثم تستخدم القوى الديناميكية الهوائية لإبطاء دخولها.

بالطبع لا يجب أن تسير بهذه السرعة. يمكن أن تستخدم المركبة الفضائية الكبح الهوائي ، مروراً عبر الغلاف الجوي العلوي عدة مرات لنزف السرعة. في الواقع ، هذه هي الطريقة التي تستخدمها المركبات الفضائية المدارية إلى المريخ.

ولكن بعد ذلك ، سيحتاج المسافرون على متن الطائرة إلى قضاء أسابيع حتى تتباطأ المركبة الفضائية وتذهب إلى مدار حول المريخ ، ثم تنزل عبر الغلاف الجوي.

وفقًا لإيلون ماسك ، فإن استراتيجيته غير السارة في التعامل مع كل هذه الحرارة هي بناء المركبة الفضائية من الفولاذ المقاوم للصدأ ، ومن ثم ستنزف الثقوب الصغيرة في الغلاف وقود الميثان للحفاظ على الجانب الأمامي من المركبة الفضائية باردًا.

بمجرد أن تتخلص من السرعة الكافية ، سوف تتحول ، وتطلق محركاتها Raptor وتهبط بلطف على سطح المريخ.

الهدف للأرض ، سحب في اللحظة الأخيرة

كل كيلوغرام من الوقود تستخدمه المركبة الفضائية لإبطاء هبوطها إلى سطح المريخ هو كيلوغرام من البضائع التي لا يمكنها حملها إلى السطح.

لست متأكدًا من وجود أي استراتيجية قابلة للتطبيق ستنقل بسهولة حمولات ثقيلة على سطح المريخ. يعتقد الأشخاص الأكثر ذكاء مني أنه مستحيل إلى حد كبير دون استخدام كميات هائلة من الوقود.

ومع ذلك ، يعتقد Elon Musk أن هناك طريقة. وقبل أن نستبعد أفكاره ، دعونا نشاهد التعزيزات الجانبية التوأم من صاروخ فالكون للصواريخ معًا بشكل مثالي.

ولا تولي اهتماما لما حدث للداعم المركزي.

تقترح دراسة جديدة من قسم الفضاء في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين أن البعثات إلى المريخ يمكن أن تستفيد من الغلاف الجوي الأكثر سمكًا الأقرب إلى سطح المريخ.

في الورقة التي تحمل عنوان "خيارات مسار الدخول لمركبات ذات معامل باليستية عالية في المريخ" ، يقترح الباحثون أن المركبات الفضائية التي تطير إلى المريخ لا تحتاج إلى أن تكون في عجلة من هذا القبيل للتخلص من سرعتها.

بما أن المركبة الفضائية تصرخ عبر الغلاف الجوي ، فستظل قادرة على توليد الكثير من الرفع الديناميكي الهوائي ، والذي يمكن استخدامه لتوجيهه عبر الغلاف الجوي.

لقد أجروا الحسابات ووجدوا أن الزاوية المثالية هي توجيه المركبة الفضائية لأسفل والغوص نحو السطح. ثم ، في آخر لحظة ممكنة ، اسحب باستخدام المصعد الديناميكي الهوائي للتحليق بشكل جانبي عبر الجزء الأكثر سمكا من الغلاف الجوي.

هذا يزيد من السحب ويتيح لك التخلص من أكبر قدر من السرعة قبل تشغيل محركات الهبوط وإكمال الهبوط بالطاقة.

يبدو ذلك ممتعًا.

إذا كانت الإنسانية ستبني مستقبلاً قابلاً للحياة على سطح المريخ ، فسوف نحتاج إلى حل هذه المشكلة. سنحتاج إلى تطوير سلسلة من التقنيات والتقنيات التي تجعل الهبوط على المريخ أكثر موثوقية وأمانًا.

أظن أنه سيكون أكثر صعوبة مما يتوقعه الناس ، لكنني أتطلع إلى الأفكار التي سيتم اختبارها في السنوات القادمة.

شكرا جزيلا لنانسي أتكينسون الذي غطت هذا الموضوع هنا على مجلة الفضاء قبل أكثر من عقد من الزمان ، وألهمني للعمل على هذا الفيديو.