Der Mars-Landeansatz: Große Nutzlasten an die Oberfläche des Roten Planeten bringen

Einige Befürworter menschlicher Missionen zum Mars sagen, wir haben heute die Technologie, um Menschen auf den Roten Planeten zu schicken. Aber machen wir das? Rob Manning vom Jet Propulsion Laboratory diskutiert die Feinheiten des Eintritts, Abstiegs und der Landung und was getan werden muss, um Menschen auf dem Mars Wirklichkeit werden zu lassen.

Die Statistiken für Missionen zum Mars enthalten keinen Komfort. Bisher sind über 60% der Missionen gescheitert. Die Wissenschaftler und Ingenieure dieser Unternehmen verwenden Sätze wie „Sechs Minuten des Terrors“ und „Der große galaktische Ghul“, um ihre Erfahrungen zu veranschaulichen. Dies ist ein Beweis für die Angst, die durch das Senden eines Roboter-Raumfahrzeugs zum Mars hervorgerufen wird – selbst unter denen, die sich diesem gewidmet haben Karrieren zur Aufgabe. Erwähnen Sie jedoch, dass Sie eine menschliche Mission zur Landung auf dem Roten Planeten schicken, deren Nutzlast mehrere Faktoren größer ist als die eines unbemannten Raumfahrzeugs, und dass die Besorgnis derselben Gruppe noch größer wird. Warum?

Niemand weiß, wie es geht.

Überrascht? Die meisten Menschen sind es, sagt Rob Manning, der Chefingenieur der Mars Exploration Directorate, und derzeit die einzige Person, die Teams dazu gebracht hat, drei Roboter-Raumschiffe erfolgreich auf der Marsoberfläche zu landen.

"Es stellt sich heraus, dass die meisten Menschen sich dieses Problems nicht bewusst sind und nur sehr wenige sich Gedanken darüber gemacht haben, wie man etwas sehr Schweres sicher auf die Marsoberfläche bringt", sagte Manning.

Er glaubt, dass viele Menschen sofort zu dem Schluss kommen, dass die Landung von Menschen auf dem Mars einfach sein sollte. Immerhin sind Menschen erfolgreich auf dem Mond gelandet und wir können unsere Menschen tragenden Fahrzeuge vom Weltraum zur Erde landen. Und da der Mars in seiner Größe zwischen Erde und Mond liegt und auch in der Menge der Atmosphäre, die er hat, sollte der Mittelweg des Mars einfach sein. "Es gibt die Einstellung, dass wir nur in der Lage sein sollten, die Punkte dazwischen zu verbinden", sagte Manning.

Ab sofort müssen sich die Punkte über einen großen Abgrund verbinden.

„Wir wissen, wo die Probleme liegen. Ich beschuldige gern den Kriegsgott “, witzelte Manning. "Dieser Planet ist nicht freundlich oder förderlich für die Landung."

Das eigentliche Problem ist die Kombination der Marsatmosphäre und der Größe des Raumfahrzeugs, das für menschliche Missionen benötigt wird. Bisher waren unsere Roboter-Raumschiffe klein genug, um zumindest einige Erfolge beim sicheren Erreichen der Oberfläche zu erzielen. Während der Apollo-Mondlander ungefähr 10 Tonnen wog, wird eine menschliche Mission zum Mars das Drei- bis Sechsfache dieser Masse erfordern, da man ein Jahr lang auf dem Planeten bleiben muss. Mit unseren vorhandenen Fähigkeiten ist es derzeit unmöglich, eine so schwere Nutzlast auf dem Mars zu landen. "Auf dem Mars herrscht zu viel Atmosphäre, um schwere Fahrzeuge wie auf dem Mond zu landen, wobei die Antriebstechnologie vollständig zum Einsatz kommt", sagte Manning, "und es gibt zu wenig Atmosphäre, um wie auf der Erde zu landen." Es ist also in dieser hässlichen Grauzone. "

Aber was ist mit Airbags, Fallschirmen oder Triebwerken, die bei früheren erfolgreichen Mars-Robotermissionen eingesetzt wurden, oder einem Körperfahrzeug, das dem Space Shuttle ähnelt?

Keiner von diesen wird alleine oder in Kombination dazu dienen, Nutzlasten von einer Tonne und mehr auf dem Mars zu landen. Dieses Problem betrifft nicht nur menschliche Missionen zum Roten Planeten, sondern auch größere Robotermissionen wie eine Probenrückgabe. "Leider sind wir dort", sagte Manning. "Bis wir uns einen ganz neuen Trick einfallen lassen, ein ganz neues System, wird es eine hässliche und beängstigende Angelegenheit sein, Menschen auf dem Mars zu landen."

Straßenkartierung
Im Jahr 2004 organisierte die NASA eine Road Mapping-Sitzung, um die aktuellen Fähigkeiten und zukünftigen Probleme der Landung von Menschen auf dem Mars zu erörtern. Manning leitete diese Veranstaltung gemeinsam mit dem inzwischen verstorbenen Apollo 17-Astronauten Harrison Schmitt und Claude Graves vom Johnson Space Center. Ungefähr 50 weitere Personen aus der gesamten NASA, Wissenschaft und Industrie nahmen an der Sitzung teil. "Zu dieser Zeit war die Fähigkeit, diese Probleme auf kohärente Weise zu erklären, nicht so gut", sagte Manning. „Der Einreise-, Abstiegs- und Landeprozess besteht eigentlich aus Menschen aus vielen verschiedenen Disziplinen. Nur sehr wenige Menschen haben wirklich verstanden, was alle Probleme waren, insbesondere bei großen Systemen. Bei der Road Mapping-Sitzung konnten wir sie alle ablegen und darüber sprechen. “

Die wichtigste Schlussfolgerung aus der Sitzung war, dass noch niemand herausgefunden hat, wie große Massen sicher von Eintrittsgeschwindigkeiten und Umlaufbahnen bis zur Marsoberfläche gebracht werden können. "Wir nennen es das Überschallübergangsproblem", sagte Manning. "Einzigartig auf dem Mars gibt es eine Lücke zwischen Geschwindigkeit und Höhe unterhalb von Mach 5. Die Lücke besteht zwischen der Lieferfähigkeit großer Eintrittssysteme auf dem Mars und der Fähigkeit von Super- und Unterschallverzögerungstechnologien, die Schallgeschwindigkeit zu unterschreiten."

Mit unseren derzeitigen Fähigkeiten hat ein großes, schweres Fahrzeug, das durch die dünne, flüchtige Atmosphäre des Mars streift, nur etwa neunzig Sekunden Zeit, um von Mach 5 auf unter Mach 1 zu verlangsamen, sich von einem Raumschiff zu einem zu verändern und neu zu orientieren Lander, setzen Sie Fallschirme ein, um weiter zu verlangsamen, verwenden Sie Triebwerke, um zum Landeplatz zu übersetzen, und setzen Sie schließlich vorsichtig auf.

Keine Airbags
Wenn dieses Problem zum ersten Mal den Menschen vorgestellt wird, besteht laut Manning die am meisten angebotene Lösung darin, Airbags zu verwenden, da diese für die Missionen, an denen er beteiligt war, so erfolgreich waren. der Pathfinder Rover, Sojourner und die beiden Mars Exploration Rovers (MER), Spirit und Opportunity.

Die Ingenieure haben jedoch das Gefühl, mit MER die Kapazität von Airbags erreicht zu haben. "Es ist nicht nur die Masse oder das Volumen der Airbags oder die Größe der Airbags selbst, sondern auch die Masse des Tieres in den Airbags", sagte Manning. "Das ist ungefähr so ​​groß, wie wir dieses spezielle Design annehmen können."

Zusätzlich setzt eine Airbaglandung die Nutzlast Kräften zwischen 10 und 20 G aus. Während Roboter solchen Kräften standhalten können, können Menschen dies nicht. Dies bedeutet nicht, dass Airbags nie wieder verwendet werden, sondern nur, dass Airbaglandungen nicht für etwas Menschliches oder Schweres verwendet werden können.

Selbst der Rover des Mars Science Laboratory (MSL) von 2009 mit einem Gewicht von 775 Kilogramm (gegenüber MER mit jeweils 175,4 Kilogramm) erfordert eine völlig neue Landearchitektur. Der für Airbags zu massive Rover in Kleinwagengröße verwendet ein Landesystem namens Sky Crane. "Obwohl einige Leute lachen, wenn sie es zum ersten Mal sehen, ist meine persönliche Ansicht, dass der Sky Crane tatsächlich das eleganteste und einfachste System ist, das wir uns ausgedacht haben", sagte Manning. MSL wird eine Kombination aus einem raketengeführten Einstieg mit einem Hitzeschild, einem Fallschirm und Triebwerken verwenden, um das Fahrzeug noch langsamer zu machen, gefolgt von einem kranähnlichen System, das den Rover an einem Kabel für eine sanfte Landung direkt auf seinen Rädern absenkt . Abhängig vom Erfolg des Sky Crane mit MSL ist es wahrscheinlich, dass dieses System für größere Nutzlasten skaliert werden kann, aber wahrscheinlich nicht für die Größe, die erforderlich ist, um Menschen auf dem Mars zu landen.

Atmosphärische Angst und Fallschirmprobleme
"Das Tolle an der Erde", sagte Manning, "ist die Atmosphäre." Das Space Shuttle, die Kapseln Apollo und Sojus sowie das vorgeschlagene Crew Exploration Vehicle (CEV) kehren zur Erde zurück und betreten die Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit zwischen 7 und 10 Kilometern pro Sekunde. Sie werden alle auf etwa 20 Kilometer über dem Boden auf weniger als Mach 1 abgebremst indem Sie durch die luxuriös dicke Erdatmosphäre gleiten und einen Hitzeschild verwenden. Um langsamere Geschwindigkeiten zu erreichen, die für die Landung benötigt werden, wird entweder ein Fallschirm eingesetzt oder beim Space Shuttle durch Ziehen und Heben der Rest der Geschwindigkeit abbluten gelassen.

Die Marsatmosphäre ist jedoch nur ein Prozent so dicht wie die der Erde. Zum Vergleich: Die dickste Marsatmosphäre entspricht der Erdatmosphäre in etwa 35 Kilometern Höhe. Die Luft ist so dünn, dass ein schweres Fahrzeug wie ein CEV im Grunde genommen an die Oberfläche stürzt. Der Luftwiderstand reicht nicht aus, um ihn ausreichend zu verlangsamen. Fallschirme können nur mit einer Geschwindigkeit von weniger als Mach 2 geöffnet werden, und ein schweres Raumschiff auf dem Mars würde niemals so langsam fahren, wenn nur ein Hitzeschild verwendet würde. "Und es gibt keine Fallschirme, mit denen Sie dieses Fahrzeug verlangsamen könnten", sagte Manning. "Das ist es. Du kannst ein CEV nicht auf dem Mars landen, es sei denn, es macht dir nichts aus, dass es sich um einen Krater an der Oberfläche handelt. "

Das sind keine guten Nachrichten für die Vision für die Weltraumforschung. Würde ein höheres Hubfahrzeug wie das Space Shuttle den Tag retten? "Nun, auf dem Mars muss man, wenn man wie beim Shuttle ein sehr hohes Verhältnis von Auftrieb zu Gewicht zu Luftwiderstand verwendet", sagte Manning, "um eine gute Verzögerung zu erzielen und den Aufzug richtig zu nutzen, tief in die Atmosphäre eindringen." Sie würden immer noch ziemlich nahe am Boden an Mach 2 oder 3 fahren. Wenn Sie ein gutes Steuerungssystem hätten, könnten Sie Ihre Verzögerung verteilen, um die Zeit in der Luft zu verlängern. Du würdest irgendwann unter Mach 2 langsamer werden, um einen Fallschirm zu öffnen, aber du wärst zu nahe am Boden und selbst ein extrem großer Überschallfallschirm würde dich nicht retten. "

Überschall-Fallschirmexperten sind zu dem Schluss gekommen, dass ein Fallschirm mit einem Durchmesser von 100 Metern erforderlich wäre, um ein großes Shuttle-Fahrzeug auf dem Mars ausreichend zu verlangsamen und mit angemessenen Geschwindigkeiten den Boden zu erreichen.

"Das ist ein guter Teil der Rose Bowl. Das ist riesig “, sagte Manning. "Wir glauben, dass es keine Möglichkeit gibt, einen 100-Meter-Fallschirm herzustellen, der sicher im Überschall geöffnet werden kann, ganz zu schweigen von der Zeit, die benötigt wird, um etwas so Großes aufzublasen." Sie wären am Boden, bevor es vollständig aufgeblasen ist. Es wäre kein gutes Ergebnis. “

Hitzeschilde und Triebwerke

Es ist nicht so, dass die Marsatmosphäre nutzlos ist. Manning erklärte, dass bei Roboter-Raumfahrzeugen 99% der kinetischen Energie eines ankommenden Fahrzeugs mithilfe eines Hitzeschilds in der Atmosphäre entfernt werden. "Es ist nicht unvorstellbar, dass wir größere, leichtere Hitzeschilde entwerfen können", sagte er, "aber das Problem ist, dass der Hitzeschilddurchmesser eines menschenfähigen Raumfahrzeugs derzeit jede Möglichkeit, dieses Fahrzeug von der Erde aus zu starten, überfordert." Manning fügte hinzu, dass es fast besser wäre, wenn der Mars wie der Mond wäre und überhaupt keine Atmosphäre hätte.

In diesem Fall könnte ein Mondlander vom Apollo-Typ mit Triebwerken verwendet werden. "Aber das würde ein anderes Problem verursachen", sagte Manning, "da für jedes Kilogramm Material im Orbit doppelt so viel Treibstoff benötigt wird, um an die Oberfläche des Mars zu gelangen wie der Mond." Alles ist doppelt so schlimm, da der Mars ungefähr doppelt so groß ist wie der Mond. “ Dies würde eine große Menge Kraftstoff erfordern, vielleicht mehr als das Sechsfache der Nutzlastmasse im Kraftstoff, um Nutzlasten in Menschengröße an die Oberfläche zu bringen, die alle von der Erde mitgebracht werden müssten. Selbst auf einem fiktiven luftlosen Mars ist dies keine Option.

Die Verwendung der aktuellen Triebwerkstechnologie in der realen, vorhandenen Marsatmosphäre wirft jedoch aerodynamische Probleme auf. "Raketenfahnen sind notorisch instabile, dynamische, chaotische Systeme", sagte Manning. „Die Raketenfahne fliegt im Grunde genommen mit Überschallgeschwindigkeit in die Wolke und wirkt wie ein Nasenkegel. ein Nasenkegel, der sich vor Ihnen gegen sehr hohen dynamischen Druck bewegt. Obwohl die atmosphärische Dichte sehr niedrig ist, weil die Geschwindigkeit so hoch ist, sind die Kräfte wirklich groß. “

Manning verglich diese Streitkräfte mit einem Hurrikan der Kategorie 5. Dies würde zu extremer Belastung führen, mit Schütteln und Verdrehen, die das Fahrzeug wahrscheinlich zerstören würden. Daher ist die alleinige Verwendung der Antriebstechnologie keine Option.

Die Verwendung von Triebwerken in Kombination mit einem Hitzeschild und einem Fallschirm ist ebenfalls eine Herausforderung. Angenommen, das Fahrzeug hat eine Technik verwendet, um unter Mach 1 zu verlangsamen, und die Verwendung des Antriebs nur in den letzten Stufen des Abstiegs, um die Flugbahn des Landers schrittweise anzupassen, würde es dem Fahrzeug ermöglichen, sehr genau am gewünschten Landeplatz anzukommen. "Wir wollen Triebwerke weniger als 1 Kilometer über dem Boden abfeuern. Ihr Fallschirm wurde weggeworfen, und Sie sehen, dass Sie vielleicht 5 Kilometer südlich von dem Ort sind, an dem Sie landen möchten “, sagte Manning. „Jetzt müssen Sie das Fahrzeug seitwärts drehen können, um zu Ihrem Landeplatz zu gelangen. Dies kann jedoch eine teure Option sein, da eine hohe Kraftstoffsteuer hinzugefügt wird, um zum gewünschten Landeplatz zu gelangen. “

Außerdem drückt auf dem Mond ohne Atmosphäre oder Wetter nichts gegen das Fahrzeug und nimmt es vom Ziel ab, und a la Neil Armstrong auf Apollo 11 kann der Pilot „die Unsicherheiten herausfliegen“, wie Manning es nannte, um es zu erreichen ein geeigneter oder gewünschter Landeplatz. Auf dem Mars verschwören sich jedoch die großen Unterschiede in der Dichte der Atmosphäre in Verbindung mit starken und unvorhersehbaren Winden, um die Fahrzeuge vom Kurs abzuhalten. "Wir müssen Wege finden, um diese Kräfte zu bekämpfen oder um Fehlzielen mit dem Antriebssystem auszugleichen", sagte Manning. "Im Moment haben wir diese Fähigkeit nicht und wir sind weit davon entfernt, sie umzusetzen."

Überschallverzögerer

Die beste Hoffnung am Horizont, um das menschliche Unternehmen auf dem Mars zu ermöglichen, ist eine neue Art von Überschallverzögerer, die nur auf dem Reißbrett steht. Einige Unternehmen entwickeln einen neuen aufblasbaren Überschallverzögerer namens Hypercone.

Stellen Sie sich einen riesigen Donut mit einer Haut auf der Oberfläche vor, die das Fahrzeug umgürtet und sich sehr schnell mit Gasraketen (wie Airbags) aufbläst, um eine konische Form zu erhalten. Dies würde sich etwa 10 Kilometer über dem Boden aufblasen, während das Fahrzeug nach der Spitzenerwärmung mit Mach 4 oder 5 fährt. Der Hypercone würde als aerodynamischer Anker fungieren, um das Fahrzeug auf Mach 1 zu verlangsamen.

Glen Brown, Chefingenieur bei Vertigo, Inc. in Lake Elsinore, Kalifornien, nahm ebenfalls an der Mars Road Mapping-Sitzung teil. Laut Brown hat Vertigo den Hypercone umfassend analysiert, einschließlich Größen- und Massenschätzungen für Lander von vier bis sechzig Tonnen. "Eine aufblasbare Hochdruckstruktur in Form eines Torus ist ein logischer Weg, um eine Membran in einer konischen Form zu tragen, die stabil ist und bei hohen Machzahlen einen hohen Luftwiderstand aufweist", sagte Brown und fügte hinzu, dass die Struktur wahrscheinlich hergestellt werden würde eines beschichteten Gewebes wie Silizium-Vectran-Matrixmaterialien. Vertigo konkurriert derzeit um die Finanzierung weiterer Forschungsarbeiten durch die NASA, da der nächste Schritt, der Einsatz in einem Überschallwindkanal, recht teuer ist.

Die Struktur müsste einen Durchmesser von etwa dreißig bis vierzig Metern haben. Das Problem hierbei ist, dass große, flexible Strukturen bekanntermaßen schwer zu kontrollieren sind. Zu diesem Zeitpunkt gibt es auch einige andere Unbekannte bei der Entwicklung und Verwendung eines Hypercones.

Ein Gedankengang ist, dass, wenn der Hypercone das Fahrzeug unter Mach 1 bringen kann, Unterschallfallschirme verwendet werden könnten, ähnlich wie bei Apollo, oder dass das CEV voraussichtlich zur Landung auf der Erde verwendet werden soll. Es dauert jedoch einige Zeit, bis sich die Fallschirme aufgeblasen haben, und anschließend ist nur noch eine Sekundenschnelle erforderlich, sodass die Fallschirme vor dem Umrüsten auf ein Antriebssystem Zeit zum Abwerfen haben.

"Sie müssten auch Triebwerke verwenden", sagte Manning. "Sie fallen zehnmal schneller, weil die Dichte der Marsatmosphäre 100 Mal geringer ist als die der Erde. Das bedeutet, dass Sie nicht nur mit Fallschirmen landen und den Boden berühren können. Sie würden den Leuten die Knochen brechen, wenn nicht die Hardware. Sie müssen also irgendwann von einem Fallschirmsystem zu einem Apollo-ähnlichen Mondlander wechseln, bevor Sie zu Boden gehen. “

Manning glaubt, dass diejenigen, die wie er in diese Angelegenheiten vertieft sind, die verschiedenen Probleme sehen, die sich gegenseitig bekämpfen. "Es ist schwierig, Ihr Gehirn für all diese Probleme zu gewinnen, da alle Teile auf komplexe Weise miteinander verbunden sind", sagte er. "Es ist sehr schwer, die richtige Antwort in deinem geistigen Auge zu sehen."

Die zusätzlichen Probleme bei der Schaffung neuer leichter, aber starker Formen und Strukturen mit der Fähigkeit, zum richtigen Zeitpunkt auseinander zu gehen und sich von einer Stufe zur anderen zu verwandeln, bedeuten die Entwicklung einer Rube Goldberg-ähnlichen Schnellfeuervorrichtung.

"Die ehrliche Wahrheit der Sache", sagte Manning, "ist, dass wir keine kanonische Standardform haben, eine Standardkonfiguration von Systemen, die es uns ermöglicht, mit der richtigen Größe, die die Kräfte und Lasten ausgleicht, auf den Boden zu gelangen." , die Menschen, und ermöglicht es uns, alle Transformationen durchzuführen, die in der sehr kurzen Zeit, die wir landen müssen, durchgeführt werden müssen. “

Andere Optionen und Probleme

Eine weitere Alternative, die auf der Mars Road Mapping-Sitzung 2004 erörtert wurde, war der Weltraumaufzug.

"Mars bettelt wirklich um einen Weltraumaufzug", sagte Manning. „Ich denke, es hat großes Potenzial. Das würde viele Probleme lösen, und der Mars wäre eine hervorragende Plattform, um es zu versuchen. “ Manning gab jedoch zu, dass die Technologie, die zum Aufhängen eines Weltraumaufzugs erforderlich ist, noch nicht erfunden wurde. Die Probleme mit der Weltraumaufzugstechnologie können selbst im Vergleich zu den Herausforderungen der Landung enorm sein.

Trotz dieser bekannten Hindernisse gibt es derzeit nur wenige bei der NASA, die sich intensiv mit den Fragen der Landung von Menschen auf dem Mars befassen.

Manning erklärte: „Die NASA verfügt noch nicht über die Ressourcen, um dieses Problem zu lösen und gleichzeitig das CEV zu entwickeln, die Internationale Raumstation zu vervollständigen und die Entwicklung der Mondlandesysteme durchzuführen. Die NASA weiß jedoch, dass dies in Zukunft geplant ist, und beginnt gerade erst, die erforderlichen technologischen Entwicklungen in den Griff zu bekommen. Ich versuche alles, um diese Geschichte zu erzählen, weil ich junge Studenten der Luftfahrttechnik, insbesondere Doktoranden, ermutige, selbstständig an diesem Problem zu arbeiten. Ich bin mir sicher, dass wir mit ihrer Hilfe herausfinden können, wie zuverlässige Landungssysteme im menschlichen Maßstab auf dem Mars funktionieren. “

Während in der gesamten NASA und im Weltraumsektor großes Interesse besteht, diese Probleme in den folgenden Jahren anzugehen, braucht die Technologie noch einige Jahre, um unsere Träume von der Landung von Menschen auf dem Mars zu verwirklichen.

Und diese Geschichte wird, wie alle guten technischen Geschichten, unweigerlich wie ein guter Kriminalroman mit technischen Wendungen, wissenschaftlichen Intrigen und großen Abenteuern in einer anderen Welt gelesen.

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