Sayang sekali Mars adalah tempat yang menarik, karena itu sebenarnya salah satu tempat paling sulit untuk dikunjungi di Tata Surya, terutama jika Anda ingin membawa banyak barang bawaan. Planet itu adalah kuburan misi yang tidak cukup berhasil.
Seiring ambisi kami tumbuh, dan kami berpikir untuk menjelajahi Mars bersama manusia - mungkin bahkan koloni masa depan - kami akan perlu menyelesaikan salah satu masalah terbesar dalam eksplorasi ruang angkasa.
Berhasil mendarat muatan berat di permukaan Mars benar-benar sangat sulit dilakukan.
Ada banyak tantangan dengan Mars, termasuk kurangnya magnetosfer pelindung dan gravitasi permukaan yang lebih rendah. Tetapi salah satu yang terbesar adalah atmosfer tipis karbon dioksida.
Jika Anda berdiri di permukaan Mars tanpa pakaian antariksa, Anda akan mati kedinginan dan sesak napas karena kekurangan oksigen. Tetapi Anda juga akan mengalami kurang dari 1% tekanan atmosfer yang Anda nikmati di Bumi.
Dan ternyata, atmosfir tipis ini membuatnya sangat menantang untuk mendapatkan muatan signifikan secara aman ke permukaan Planet Merah. Faktanya, hanya 53% misi ke Mars yang benar-benar berjalan dengan baik.
Jadi mari kita bicara tentang bagaimana misi ke Mars bekerja di masa lalu, dan saya akan menunjukkan kepada Anda apa masalahnya.
Mendarat di Mars Adalah yang Terburuk
Secara historis, misi ke Mars diluncurkan dari Bumi selama jendela penerbangan yang dibuka setiap dua tahun atau lebih ketika Bumi dan Mars saling berdekatan. ExoMars terbang pada tahun 2016, InSight pada tahun 2018 dan penjelajah Mars 2020 akan terbang, ya, tahun 2020.
Misi mengikuti lintasan transfer antarplanet yang dirancang untuk mencapai tercepat, atau dengan jumlah bahan bakar paling sedikit.
Saat pesawat ruang angkasa memasuki atmosfer Mars, itu berjalan puluhan ribu kilometer per jam. Entah bagaimana harus kehilangan semua kecepatan itu sebelum mendarat dengan lembut di permukaan Planet Merah.
Di sini di Bumi, Anda dapat menggunakan atmosfer Earthican yang tebal untuk memperlambat penurunan Anda, mengurangi kecepatan Anda dengan pelindung panas. Ubin pesawat ulang-alik dirancang untuk menyerap panas masuk kembali, karena pengorbit 77 ton bergerak dari 28.000 km / jam ke nol.
Teknik serupa dapat digunakan di Venus atau Titan, di mana mereka memiliki atmosfer yang tebal.
Bulan, tanpa atmosfer sama sekali, relatif mudah untuk mendarat. Tanpa atmosfer sama sekali, tidak perlu pelindung panas, Anda cukup menggunakan tenaga penggerak untuk memperlambat orbit Anda dan mendarat di permukaan. Selama Anda membawa propelan yang cukup, Anda bisa tetap mendarat.
Kembali ke Mars, dengan pesawat ruang angkasa meluncur ke atmosfernya yang tipis dengan kecepatan lebih dari 20.000 kilometer per jam.
Keingintahuan Adalah Batasnya
Secara tradisional, misi telah mulai turun dengan aeroshell untuk menghapus beberapa kecepatan pesawat ruang angkasa. Misi terberat yang pernah dikirim ke Mars adalah Curiosity, yang berbobot 1 metrik ton, atau 2.200 pound.
Ketika memasuki atmosfer Mars, ia berjalan 5,9 kilometer per detik, atau 22.000 kilometer per jam.
Curiosity memiliki aeroshell terbesar yang pernah dikirim ke Mars, berukuran 4,5 meter. Aeroshell yang sangat besar ini dimiringkan secara miring, memungkinkan pesawat ruang angkasa untuk bermanuver saat menyentuh atmosfer tipis Mars, yang bertujuan untuk zona pendaratan tertentu.
Pada ketinggian sekitar 131 kilometer, pesawat ruang angkasa akan mulai menembakkan pendorong untuk menyesuaikan lintasan saat mendekati permukaan Mars.
Sekitar 80 detik penerbangan melalui atmosfer, suhu pada pelindung panas naik menjadi 2.100 derajat celsius. Agar tidak meleleh, pelindung panas menggunakan bahan khusus yang disebut Carbon Phenolic Impregnated Carbon Ablator, atau PICA. Bahan SpaceX yang sama digunakan untuk Dragon Capsules-nya.
Begitu kecepatannya melambat hingga lebih rendah dari Mach 2.2, pesawat ruang angkasa itu mengerahkan parasut terbesar yang pernah dibangun untuk misi ke Mars - 16 meter. Parasut ini bisa menghasilkan 29.000 kilogram gaya drag, memperlambatnya lebih lama lagi.
Garis suspensi terbuat dari Technora dan Kevlar, yang merupakan material paling kuat dan tahan panas yang kita ketahui.
Kemudian ia membuang parasutnya dan menggunakan mesin roket untuk memperlambat turunnya lebih jauh. Ketika sudah cukup dekat, Curiosity mengerahkan skycrane yang menurunkan bajak ke permukaan dengan lembut.
Ini adalah versi cepat. Jika Anda ingin tinjauan luas tentang apa yang Curiosity lewati saat mendarat di Mars, saya sangat menyarankan Anda memeriksa “Desain dan Rekayasa Keingintahuan” dari Emily Lakdawalla.
Keingintahuan hanya berbobot satu ton.
Akan Lebih Berat Tidak Skala
Ingin melakukan hal yang sama dengan muatan yang lebih berat? Saya yakin Anda membayangkan aeroshell yang lebih besar, parasut yang lebih besar, skycran yang lebih besar.
Secara teori, SpaceX Starship akan mengirim 100 ton kolonis dan barang-barang mereka ke permukaan Mars.
Inilah masalahnya. Metode perlambatan di atmosfer Mars jangan ditingkatkan dengan sangat baik.
Pertama, mari kita mulai dengan parasut. Sejujurnya, pada 1-ton, Curiosity sekitar seberat yang Anda bisa menggunakan parasut. Lebih berat dan tidak ada material engineer yang dapat digunakan yang dapat menangani beban perlambatan.
Beberapa bulan yang lalu, para insinyur NASA merayakan uji sukses Eksperimen Penelitian Parasut Inflasi Supersonik Tingkat Lanjut, atau ASPIRE. Ini adalah parasut yang akan digunakan untuk misi penjelajah Mars 2020.
Mereka menempatkan parasut yang terbuat dari kain komposit canggih, seperti nilon, Technora dan Kevlar, ke roket yang berbunyi dan meluncurkannya ke ketinggian 37 kilometer, meniru kondisi yang akan dialami pesawat ruang angkasa saat tiba di Mars.
Parasut yang digunakan dalam sepersekian detik, dan sepenuhnya meningkat, mengalami 32.000 kilogram kekuatan. Jika Anda berada di kapal pada saat itu, Anda akan mengalami kekuatan 3,6 kali lebih banyak dari menabrak dinding yang 100 km / jam mengenakan sabuk pengaman Anda. Dengan kata lain, Anda tidak akan bertahan.
Jika pesawat ruang angkasa itu lebih berat, itu harus dibuat dari bahan komposit mustahil. Dan lupakan penumpang.
NASA telah mencoba berbagai ide untuk mendaratkan muatan yang lebih berat di Mars, seperti, sebanyak 3 ton.
Satu gagasan disebut Deselerator Supersonik Kepadatan Rendah, atau LDSD. Idenya adalah untuk menggunakan decelerator aerodinamis yang jauh lebih besar yang akan mengembang di sekitar pesawat ruang angkasa seperti kastil goyang saat memasuki gravitasi Mars.
Pada 2015, NASA benar-benar menguji teknologi ini, membawa kendaraan prototipe di atas balon hingga ketinggian 36 kilometer. Kendaraan itu kemudian menembakkan roket padatnya, membawanya ke ketinggian 55 kilometer.
Saat meroket ke atas, itu melambungkan Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator ke diameter 6 meter (atau 20 kaki), yang kemudian melambat kembali ke Mach 2.4. Sayangnya parasutnya gagal dipasang dengan benar, sehingga jatuh ke Samudra Pasifik.
Itu kemajuan. Jika mereka benar-benar dapat bekerja di luar teknik dan fisika, suatu hari kita bisa melihat pesawat ruang angkasa 3 ton mendarat di permukaan Mars. Tiga ton penuh.
Lebih Banyak Penggerak, Lebih Sedikit Kargo
Gagasan berikutnya untuk meningkatkan pendaratan Mars adalah menggunakan lebih banyak daya dorong. Secara teori, Anda bisa membawa lebih banyak bahan bakar, menembakkan roket Anda ketika Anda tiba di Mars, dan membatalkan semua kecepatan itu. Masalahnya, tentu saja, adalah semakin banyak massa yang harus Anda bawa untuk melambat, semakin sedikit massa yang sebenarnya bisa Anda mendarat di permukaan Mars.
SpaceX Starship diharapkan menggunakan pendaratan propulsi untuk menurunkan 100 ton ke permukaan Mars. Karena mengambil jalur yang lebih langsung, lebih cepat, Starship akan menghantam atmosfer Mars lebih cepat dari 8,5 km / s dan kemudian menggunakan kekuatan aerodinamis untuk memperlambat masuknya.
Tidak harus secepat ini, tentu saja. Starship dapat menggunakan aerobraking, melewati atmosfer atas beberapa kali untuk mengurangi kecepatan. Sebenarnya, ini adalah metode yang akan digunakan pesawat ruang angkasa orbital ke Mars.
Tapi kemudian penumpang di pesawat perlu menghabiskan berminggu-minggu agar pesawat ruang angkasa melambat dan pergi ke orbit di sekitar Mars, dan kemudian turun melalui atmosfer.
Menurut Elon Musk, strateginya yang menyenangkan dan tidak intuitif untuk menangani semua panas adalah untuk membangun pesawat ruang angkasa dari stainless steel, dan kemudian lubang kecil di cangkang akan mengeluarkan bahan bakar metana keluar untuk menjaga sisi angin dari pesawat ruang angkasa itu dingin.
Setelah kecepatannya cukup, ia akan berbalik, menyalakan mesin Raptornya dan mendarat dengan lembut di permukaan Mars.
Bidik Tanah, Tarik ke Atas di Menit Terakhir
Setiap kilogram bahan bakar yang digunakan pesawat ruang angkasa untuk memperlambat penurunannya ke permukaan Mars adalah satu kilogram kargo yang tidak bisa dibawa ke permukaan.
Saya tidak yakin ada strategi yang dapat dilakukan yang akan dengan mudah mendaratkan muatan berat di permukaan Mars. Orang yang lebih pintar daripada saya pikir itu sangat tidak mungkin tanpa menggunakan propelan dalam jumlah besar.
Konon, Elon Musk berpikir ada cara. Dan sebelum kita mengabaikan ide-idenya, mari kita saksikan penguat sisi kembar dari roket Falcon Heavy mendarat sempurna bersama.
Dan tidak memperhatikan apa yang terjadi pada booster pusat.
Sebuah studi baru dari Departemen Aerospace di University of Illinois di Urbana-Champaign mengusulkan bahwa misi ke Mars dapat mengambil keuntungan dari atmosfer yang lebih tebal yang lebih dekat ke permukaan Mars.
Dalam makalah mereka yang berjudul, "Opsi Lintasan Masuk untuk Kendaraan Koefisien Balistik Tinggi di Mars", para peneliti mengusulkan bahwa pesawat ruang angkasa yang terbang ke Mars tidak perlu terburu-buru untuk menyingkirkan kecepatan mereka.
Saat pesawat ruang angkasa menjerit melalui atmosfer, ia masih dapat menghasilkan banyak lift aerodinamis, yang dapat digunakan untuk mengarahkannya ke atmosfer.
Mereka menjalankan perhitungan dan menemukan bahwa sudut yang ideal adalah mengarahkan pesawat ruang angkasa lurus ke bawah dan menyelam ke permukaan. Kemudian, pada saat-saat terakhir yang memungkinkan, tarik menggunakan lift aerodinamis untuk terbang menyamping melewati bagian paling tebal dari atmosfer.
Ini meningkatkan drag dan memungkinkan Anda menyingkirkan jumlah kecepatan paling banyak sebelum Anda menghidupkan mesin turunan dan menyelesaikan pendaratan bertenaga Anda.
Kedengarannya, um, asyik.
Jika umat manusia akan membangun masa depan yang layak di permukaan Mars, kita perlu memecahkan masalah ini. Kami akan perlu mengembangkan serangkaian teknologi dan teknik yang membuat pendaratan di Mars lebih andal dan aman.
Saya menduga itu akan jauh lebih menantang daripada yang diharapkan orang, tetapi saya menantikan ide-ide yang akan diuji di tahun-tahun mendatang.
Terima kasih banyak untuk Nancy Atkinson yang membahas topik ini di sini di Space Magazine lebih dari satu dekade yang lalu, dan mengilhami saya untuk mengerjakan video ini.
