残念ですが、火星はとても興味深い場所です。なぜなら、特にたくさんの荷物を持って行きたい場合は、太陽系で実際に訪れるのが最も難しい場所の1つだからです。その惑星は、成功しなかったミッションの墓地です。
私たちの野心が高まり、火星を人間（おそらく将来の入植者）と一緒に探査することを考えると、宇宙探査における最大の問題の1つを解決する必要があります。
火星の表面に重いペイロードをうまく着陸させることは、本当に本当に難しいことです。
火星には、保護磁気圏の欠如や表面重力の低下など、多くの課題があります。しかし、最大のものの1つは、二酸化炭素の薄い大気です。
宇宙服なしで火星の表面に立っていると、凍って死に、酸素の欠乏で窒息します。しかし、地球上で楽しむ気圧も1％未満です。
そして、結局のところ、この薄い大気により、重要なペイロードを安全に赤い惑星の表面に降ろすことが非常に困難になっています。実際、火星へのミッションの53％だけが実際に適切に機能しました。
火星へのミッションが過去にどのように機能したかについて話しましょう。問題が何であるかを紹介します。
火星への着陸は最悪
歴史的には、火星へのミッションは、地球と火星が接近している2年ごとに開くフライトウィンドウの間に地球から発射されます。 ExoMarsは2016年に飛行し、InSightは2018年に飛行し、Mars 2020ローバーは2020年に飛行します。
ミッションは、最速で到達するか、最少量の燃料で到達するように設計された惑星間移動軌道に従います。
宇宙船が火星の大気圏に入ると、時速数万キロの距離を移動します。赤い惑星の表面にやさしく着陸する前に、どういうわけかその速度をすべて失う必要があります。
ここ地球では、厚いアーシカンの大気を使用して降下を遅らせ、熱シールドで速度を逃がすことができます。 77トンのオービターが28,000 km / hからゼロに移行したため、スペースシャトルのタイルは再突入の熱を吸収するように設計されました。
金星やタイタンでも同様の手法を使用でき、大気が厚い。
まったく大気がない月も、着陸するのが比較的簡単です。大気がまったくない場合、遮熱板は必要ありません。推進力を使用して軌道を減速させ、水面に着陸するだけです。十分な推進剤を持っていれば、着陸を止めることはできません。
火星に戻り、時速20,000キロ以上で宇宙船が薄い大気に突入しました。
好奇心が限界
伝統的に、ミッションは、宇宙船の速度の一部を取り除くためにエアロシェルで降下を開始しました。火星にこれまで送信された最も重い任務は、1メートルトン（2,200ポンド）に達した好奇心でした。
それが火星の大気に入ったとき、それは毎秒5.9キロメートル、または毎時22,000キロメートルでした。
好奇心は、これまでに火星に送られた最大のエアロシェルで、直径4.5メートルでした。この巨大なエアロシェルは斜めに傾けられており、火星の薄い大気にぶつかり、特定の着陸ゾーンを目指して操縦することができます。
高度131 kmで、宇宙船はスラスタを発射し、火星の表面に近づくと軌道を完全に調整します。
大気中を飛行して約80秒で、熱シールドの温度は摂氏2,100度に上昇しました。溶けないようにするために、熱シールドはフェノール含浸カーボンアブレーター、またはPICAと呼ばれる特殊な材料を使用しました。ちなみに、SpaceXがドラゴンカプセルに使用しているのと同じ素材です。
速度がマッハ2.2よりも遅くなった後、宇宙船は火星へのミッション用に構築された最大のパラシュートを横幅16メートルで展開しました。このパラシュートは29,000キログラムの抗力を発生させ、さらに減速させます。
サスペンションラインは、TechnoraとKevlarでできていました。これらは、私たちが知っている最も強力で最も耐熱性の高い素材です。
その後、パラシュートを投棄し、ロケットエンジンを使用して降下をさらに遅くしました。それが十分に近かったとき、好奇心はローバーを表面にそっと下げたスカイクレーンを配備しました。
これはクイックバージョンです。好奇心が火星に上陸した経緯の概要を知りたい場合は、エミリーラクダワラの「好奇心のデザインとエンジニアリング」をチェックすることを強くお勧めします。
好奇心はたった1トンしかありませんでした。
重くしてもスケールしない
重いペイロードで同じことをしたいですか？より大きなエアロシェル、より大きなパラシュート、より大きなスカイクレーンを想像していると思います。
理論的には、SpaceX Starshipは100トンの入植者とその持ち物を火星の表面に送ります。
ここに問題があります。火星の雰囲気で減速する方法は、うまくスケールアップしません。
まず、パラシュートから始めましょう。正直に言うと、1トンでは、好奇心はパラシュートを使用するのと同じくらい重いです。より重く、減速負荷を処理できるエンジニアが使用できる材料はありません。
数か月前に、NASAのエンジニアはAdvanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment、またはASPIREのテストの成功を祝いました。これは、2020年の火星探査機ミッションに使用されるパラシュートです。
彼らは、ナイロン、テクノーラ、ケブラーなどの高度な複合素材で作られたパラシュートを有音ロケットに乗せ、火星に到着したときの宇宙船の状態を模倣して、高度37キロまで発射しました。
パラシュートがほんの一瞬で配備され、完全に膨らんだ状態で、32,000キログラムの力を経験しました。その時に乗っていれば、シートベルトを着用して時速100 kmで壁に衝突するときの3.6倍の力を経験するでしょう。つまり、生き残ることはできません。
宇宙船がもっと重いならば、それは不可能な複合布で作られる必要があるでしょう。そして乗客のことを忘れてください。
NASAは、3トンもの火星に重いペイロードを着陸させるために、さまざまなアイデアを試みています。
1つのアイデアは、低密度超音速減速器、またはLDSDと呼ばれます。アイデアは、それが火星の重力に入るときに弾力がある城のように宇宙船の周りに膨らむはるかに大きな空力減速器を使用することです。
2015年、NASAは実際にこの技術をテストし、プロトタイプの車両を気球に乗って高度36キロまで運びました。その後、車両は固体ロケットを発射し、高度55 kmまで運びました。
それが上向きに急上昇している間に、それはその超音速インフレータブル空力減速装置を直径6メートル（または20フィート）まで膨らませ、それからマッハ2.4まで減速しました。残念ながら、パラシュートは適切に展開できなかったため、太平洋に墜落しました。
それは進歩です。彼らが実際に工学と物理学を理解できれば、いつか火星の表面に3トンの宇宙船が着陸するのを見ることができます。 3トン。
より多くの推進力、より少ない貨物
火星着陸を拡大する次のアイデアは、より多くの推進力を使用することです。理論的には、より多くの燃料を運び、火星に到着したらロケットを発射し、その速度をすべてキャンセルすることができます。もちろん問題は、減速するために運ぶ必要がある質量が多いほど、実際に火星の表面に着陸できる質量が少なくなることです。
SpaceX Starshipは、推進力のある着陸を使用して、火星の表面まで100トンを降りると予想されています。 Starshipはより直接的で高速な経路を取っているため、火星の大気に8.5 km / sより速く到達し、空力を使用して進入を遅らせます。
もちろん、これほど速く進む必要はありません。宇宙船はエアロブレーキングを使用して、上層大気を数回通過して速度を放出することができます。実際、これは火星に行く軌道宇宙船が使用する方法です。
しかし、その後、乗客は、宇宙船が減速して火星の周りの軌道に入るまでに数週間を費やしてから、大気圏を降下する必要があります。
Elon Muskによると、熱をすべて処理するための彼の楽しくて直感的でない戦略は、ステンレス鋼から宇宙船を構築することです。それから、シェルの小さな穴がメタン燃料を放出して、宇宙船の風上側を冷たく保ちます。
十分な速度が出ると、回転し、ラプターエンジンを発射して、火星の表面に穏やかに着陸します。
地面を目指して、土壇場で引き上げる
火星の表面への降下を遅らせるために宇宙船が使用する1キログラムの燃料は、それが表面に運ぶことができない貨物の1キログラムです。
火星の表面に重いペイロードを簡単に着陸させる実行可能な戦略があるかどうかはわかりません。私より賢い人は、大量の推進剤を使わなければそれはほとんど不可能だと思います。
そうは言っても、Elon Muskは方法があると考えています。そして、彼のアイデアを割く前に、ファルコンヘビーロケットのツインサイドブースターが完全に着陸するのを見てみましょう。
そして、セントラルブースターに何が起こったかに注意を払いません。
イリノイ大学アーバナシャンペーン校の航空宇宙学部による新しい研究では、火星へのミッションは火星の表面に近い厚い大気を利用できると提案しています。
「火星での高弾道係数車両の進入軌道オプション」というタイトルの論文で、研究者たちは、火星に飛ぶ宇宙船は速度を取り除くためにそれほど急いでいる必要はないことを提案しています。
宇宙船は大気中を叫んでいるので、大気中を操縦するために使用できる多くの空力揚力を生成できます。
彼らは計算を実行し、理想的な角度は宇宙船をまっすぐ下に向け、水面に向かって急降下することであることがわかりました。次に、最後の可能な瞬間に、空気力学的リフトを使用して引き上げ、大気の最も厚い部分を横向きに飛行します。
これにより、抗力が増加し、降下エンジンをオンにして動力着陸を完了する前に、ほとんどの速度を取り除くことができます。
楽しそうですね。
人類が火星の表面に実行可能な未来を築こうとしている場合、私たちはこの問題を解読する必要があります。火星への着陸の信頼性と安全性を高める一連の技術と技術を開発する必要があります。
人々が期待しているよりもはるかに挑戦的なものになると思いますが、今後数年でテストされるアイデアを楽しみにしています。
ナンシーアトキンソンに感謝します ここでこのトピックをカバーしました 10年以上前にSpace Magazineでこのビデオに取り組むようになりました。
