Еще в 2007 году я разговаривал с Робом Мэннингом, выдающимся инженером Лаборатории реактивного движения, и он рассказал мне нечто шокирующее. Несмотря на то, что он успешно руководил группами входа, спуска и посадки (EDL) в трех миссиях марсохода, он сказал, что перспектива высадки пилотируемой миссии на Красную планету может быть невозможной.
Но теперь, после почти 20 лет работы и исследований, а также более успешных приземлений марсохода, Мэннинг говорит, что перспективы значительно улучшились.
«Мы добились огромного прогресса с 2007 года», — сказал мне Мэннинг, когда мы беседовали несколько недель назад в 2024 году. «Интересно, как все развивалось, но фундаментальные проблемы, с которыми мы столкнулись в 2007 году, не исчезли, они просто трансформировались. ».
Проблемы возникают из-за сочетания ультратонкой атмосферы Марса, которая более чем в 100 раз тоньше земной, и сверхбольших размеров космических кораблей, необходимых для пилотируемых миссий, вероятно, от 20 до 100 метрических тонн.
«Многие люди сразу приходят к выводу, что высадка людей на Марс должна быть простой задачей», — сказал Мэннинг еще в 2007 году, — «поскольку мы успешно высадились на Луне и регулярно приземляем аппараты, перевозящие людей, из космоса на Землю. А поскольку Марс находится между Землей и Луной по размеру и количеству атмосферы, то золотая середина для Марса должна быть легкой».
Но атмосфера Марса создает проблемы, которых нет на Земле или Луне. У большого и тяжелого космического корабля, проносящегося сквозь тонкую и нестабильную атмосферу Марса, есть всего несколько минут, чтобы замедлиться от приближающейся межпланетной скорости (например, марсоход Perseverance двигался со скоростью 12 100 миль в час). [19,500 kph] когда он достиг Марса) до скорости ниже 1 Маха, а затем быстро перейти на посадочный модуль, чтобы замедлиться, чтобы иметь возможность мягко приземлиться.
В 2007 году среди инженеров EDL преобладало мнение, что атмосферы слишком мало для приземления, как на Земле, но на Марсе на самом деле слишком много атмосферы, чтобы приземлять тяжелые транспортные средства, как мы на Луне, используя только двигательную технологию.
«Мы называем это проблемой сверхзвукового перехода», — сказал Мэннинг снова в 2007 году. «Уникальным для Марса является разрыв в скорости и высоте ниже 5 Маха. Разрыв находится между возможностями доставки крупных систем входа на Марс и возможностями технологии сверх- и дозвуковых замедлителей, позволяющие снизить скорость ниже скорости звука».
Самой крупной полезной нагрузкой, приземлившейся на Марс на данный момент, является марсоход Perseverance, масса которого составляет около 1 метрической тонны. Успешная посадка Perseverance и его предшественника Curiosity потребовала сложной серии маневров и устройств, подобных Рубу Голдбергу, таких как Sky Crane. Более крупные транспортные средства, предназначенные для людей, будут приближаться еще быстрее и тяжелее, и их будет невероятно сложно замедлить.
«Итак, как же замедлиться до дозвуковых скоростей, — сказал Мэннинг сейчас, в 2024 году, будучи главным инженером Лаборатории реактивного движения, — чтобы достичь скоростей, на которых мы традиционно знаем, как запустить наши двигатели, чтобы обеспечить приземление? Мы думали, что парашюты большего размера или сверхзвуковые замедлители, такие как LOFTID (полетные испытания надувного замедлителя на низкой околоземной орбите), протестированные НАСА), позволят нам, возможно, лучше замедляться, но с обоими этими устройствами все еще были проблемы».
«Но был один трюк, о котором мы ничего не знали», — продолжил Мэннинг. «Как насчет использования вашей двигательной установки и запуска двигателей назад (ретро-движение) во время полета на сверхзвуковой скорости, чтобы сбросить скорость? Еще в 2007 году мы не знали ответа на этот вопрос. Мы даже не думали, что это возможно».
Почему нет? Что может пойти не так?
«Когда вы запускаете двигатели задом наперед, когда вы движетесь в атмосфере, образуется ударный фронт, который будет двигаться», — объяснил Мэннинг, — «так что он может появиться и ударить автомобиль, что приведет к его нестабильности или повреждению». . Вы также летите прямо в шлейф выхлопных газов ракетного двигателя, поэтому на транспортном средстве может возникнуть дополнительное трение и возможность нагрева».
Все это очень сложно смоделировать, и опыта в этом практически не было, поскольку в 2007 году никто никогда не использовал одни только двигательные технологии для замедления и последующей посадки космического корабля на Землю. В основном это связано с тем, что красивая, роскошная и плотная атмосфера нашей планеты легко замедляет космический корабль, особенно при использовании парашюта или при творческом полете, как это сделал космический челнок.
«Люди немного изучили это, и мы пришли к выводу, что было бы здорово попробовать это и выяснить, сможем ли мы запустить двигатели задом наперед и посмотреть, что произойдет», — размышлял Мэннинг, добавляя, что не было никакого дополнительного финансирования. запустить ракету только для того, чтобы посмотреть, как она снова упадет, и посмотреть, что произошло.
Но затем SpaceX начала проводить испытания, пытаясь посадить ракету-носитель первой ступени своего Falcon 9 обратно на Землю, чтобы повторно использовать ее.
«SpaceX заявила, что собирается попробовать это, — сказал Мэннинг, — и для этого им нужно было замедлить ракету-носитель на сверхзвуковой фазе, пока она находится в верхних слоях атмосферы Земли. Итак, есть часть полета, где они запускают свои двигатели назад на сверхзвуковой скорости через разреженную атмосферу, которая очень похожа на марсианскую».
Как вы можете себе представить, это невероятно заинтриговало инженеров EDL, размышлявших о будущих миссиях на Марс.
После нескольких лет проб, ошибок и неудач 29 сентября 2013 года SpaceX выполнила первый маневр сверхзвуковой ретро-движительной установки (SRP), чтобы замедлить вход в атмосферу первой ступени своей ракеты Falcon 9. Хотя в конечном итоге он упал в океан и был уничтожен, SRP фактически замедлил ракету-носитель.
НАСА спросило, могут ли их инженеры EDL наблюдать и изучать данные SpaceX, и SpaceX с готовностью согласилась. Начиная с 2014 года НАСА и SpaceX сформировали трехлетнее государственно-частное партнерство, основанное на анализе данных SRP, под названием «Проект NASA Propulsive Descent Technology (PDT)». Ракеты-носители F9 были оснащены специальными приборами для сбора данных конкретно по частям входного сгорания, которые попадали в диапазон чисел Маха и динамического давления, ожидаемых на Марсе. Кроме того, были проведены кампании по созданию визуальных и инфракрасных изображений, реконструкция полета и анализ гидродинамики – все это помогло как НАСА, так и SpaceX.
К всеобщему удивлению и радости, это сработало. 21 декабря 2015 года первая ступень F9 вернулась и успешно приземлилась в зоне приземления 1 на мысе Канаверал, что стало первой в истории посадкой ракеты орбитального класса. Это была революционная демонстрация SRP, которая расширила знания и проверила технологию использования SRP на Марсе.
«Судя по проведенному анализу, оставшаяся проблема SRP характеризуется как разумная разработка систем полета, зависящая от развития конкретных систем полета на Марс, а не от развития технологий», — написала команда EDL, подробно описывая результаты проекта PDT в документе. Короче говоря, успех SpaceX означал, что для посадки больших полезных грузов на Марс не потребуется никаких новых необычных технологий или нарушений законов физики.
«Оказывается, мы узнали кое-что новый физики», — сказал Мэннинг. Они обнаружили, что «пузырь» фронта ударной волны, создаваемый вокруг корабля при запуске двигателей, каким-то образом изолирует космический корабль от любых ударов, а также от некоторого нагрева.
Инженеры EDL теперь полагают, что SRP — единственная технология входа, спуска и посадки на Марс, которая по своей сути масштабируема для широкого диапазона и размера миссий, чтобы сбросить достаточную скорость во время полета в атмосфере, чтобы обеспечить безопасную посадку. Наряду с аэроторможением, это один из ведущих способов посадки на Марс тяжелой техники, жилых помещений и даже людей.
Тем не менее, многие вопросы остаются нерешенными, когда дело доходит до высадки пилотируемой миссии на Марс. Мэннинг упомянул, что существует множество неизвестных, в том числе то, как большой корабль, такой как Starship SpaceX, будет управляться и проходить через атмосферу Марса; можно ли использовать плавники гиперзвуковым способом или плазменная тепловая среда их расплавит? Количество обломков, поднимаемых большими двигателями на корабле размером с человека, может оказаться фатальным, особенно для двигателей, которые вы хотели бы повторно использовать для возвращения на орбиту или на Землю, так как же защитить двигатели и корабль? На Марсе может быть довольно ветрено, так что же произойдет, если во время приземления вы столкнетесь с порывами ветра или пыльной бурей? Какие посадочные опоры подойдут большому кораблю на каменистой поверхности Марса? Кроме того, возникают проблемы с логистикой, например, как будет создана вся инфраструктура? Как будут дозаправляться корабли для возвращения домой?
«Все это займет много времени, больше, чем люди думают», — сказал Мэннинг. «Одним из недостатков полета на Марс является то, что здесь трудно действовать методом проб и ошибок, если вы не очень терпеливы. В следующий раз вы сможете повторить попытку через 26 месяцев из-за сроков окон запуска между нашими двумя планетами. Господи, какая это будет боль! Но я думаю, что мы многому научимся, когда сможем попробовать это впервые».
И, по крайней мере, был дан ответ на вопрос о сверхзвуковой ретро-двигательной установке.
«По сути, мы делаем то, что сказал нам Бак Роджерс еще в 1930-х годах: запускаем двигатели назад, пока вы едете очень быстро».
Статья 2007 года: Подход к высадке на Марс: доставка больших полезных грузов на поверхность Красной планеты
