화성이 너무 나쁘다. 특히 많은 수하물을 가지고 싶을 때 실제로 태양계에서 방문하기 가장 어려운 장소 중 하나이기 때문에 화성은 매우 흥미로운 곳입니다. 그 행성은 아직 이루어지지 않은 임무의 묘지입니다.
우리의 야망이 커지고 미래 식민지 사람들과 같이 인간과 화성을 탐험하는 것에 대해 생각하면서 우주 탐사에서 가장 큰 문제 중 하나를 해결해야합니다.
화성 표면에 무거운 탑재 물을 성공적으로 착륙시키는 것은 실제로 어려운 일입니다.
화성에는 보호 자기권이없고 표면 중력이 낮다는 등 많은 어려움이 있습니다. 그러나 가장 큰 것 중 하나는 이산화탄소의 얇은 대기입니다.
우주복없이 화성 표면에 서 있었다면, 죽음으로 얼어 붙어 산소 부족으로 질식 할 것입니다. 하지만 지구상에서 즐기는 대기압의 1 %도 안됩니다.
그리고이 얇은 대기로 인해 붉은 행성의 표면에 상당한 양의 적재물을 안전하게 내려가는 것은 매우 어려운 일입니다. 실제로 화성에 대한 임무의 53 %만이 실제로 제대로 작동했습니다.
과거에 화성 선교가 어떻게 작동했는지에 대해 이야기하고 문제가 무엇인지 보여 드리겠습니다.
화성에 착륙하는 것이 최악이다
역사적으로, 화성과의 임무는 지구와 화성이 더 가까이있을 때 2 년마다 열리는 비행 창에서 지구에서 발사됩니다. ExoMars는 2016 년에, 2018 년 InSight에, 2020 년 Mars 2020 로버가 비행 할 예정입니다.
임무는 가장 빠른 연료 또는 최소량의 연료로 도착하도록 설계된 행성 간 전송 궤도를 따릅니다.
우주선이 화성 대기에 진입함에 따라 시간당 수만 킬로미터가갑니다. 그것은 붉은 행성의 표면에 부드럽게 착륙하기 전에 어떻게 든 그 속도를 모두 잃어야합니다.
지구상에서 두꺼운 Earthican 분위기를 사용하여 하강을 늦추고 열 차폐로 속도를 피할 수 있습니다. 우주 왕복선 타일은 77 톤 궤도 선이 28,000km / h에서 0으로 바뀌면서 재진입 열을 흡수하도록 설계되었습니다.
비슷한 기술이 비너스 또는 타이탄에서 사용될 수 있는데, 대기가 두꺼운 곳입니다.
분위기가 전혀없는 달은 비교적 간단하게 착륙 할 수 있습니다. 전혀 대기가 없으면 열 차폐가 필요하지 않습니다. 추진력을 사용하여 궤도를 늦추고 표면에 착륙하면됩니다. 추진제를 충분히 가져 오면 착륙 할 수 있습니다.
시간당 20,000km가 넘는 얇은 대기권으로 우주선을 타고 화성으로 돌아갑니다.
호기심이 한계입니다
전통적으로 임무는 우주선의 속도 중 일부를 제거하기 위해 에어로 쉘로 하강을 시작했습니다. 화성에 보낸 가장 무거운 임무는 무게가 1 미터 톤 또는 2,200 파운드 인 호기심이었습니다.
화성 대기권에 들어갔을 때, 초당 5.9 킬로미터, 또는 시속 22,000 킬로미터였습니다.
호기심은 4.5 미터 크기의 가장 큰 에어로 쉘을 화성으로 보냈습니다. 이 거대한 에어로 쉘은 비스듬히 기울어 져 특정 착륙 지역을 목표로 우주선이 화성의 얇은 대기에 부딪히면서 기동 할 수 있습니다.
고도 약 131km에서 우주선은 화성 표면에 접근함에 따라 궤도를 완벽하게 조정하기 위해 추진기를 발사하기 시작합니다.
대기를 통한 약 80 초의 비행으로, 열 실드의 온도는 섭씨 2,100 도로 상승했습니다. 열 차폐물은 녹지 않기 위해 페놀 성 함침 탄소 융착기 또는 PICA라는 특수 재료를 사용했습니다. 그런데 SpaceX가 Dragon Capsule에 사용하는 것과 동일한 재료입니다.
마하 2.2보다 속도가 느려졌을 때 우주선은 16 미터 길이의 화성 탐사선을 위해 건설 된 가장 큰 낙하산을 배치했습니다. 이 낙하산은 29,000 킬로그램의 항력을 생성하여 속도를 더욱 늦출 수 있습니다.
서스펜션 라인은 Technora와 Kevlar로 만들어졌으며 우리가 알고있는 가장 강력하고 가장 내열성있는 재료입니다.
그런 다음 낙하산을 쏘고 로켓 엔진을 사용하여 하강 속도를 훨씬 늦췄습니다. 그것이 충분히 가까워 졌을 때, Curiosity는 로버를 표면으로 부드럽게 내린 스카이 크레인을 배치했습니다.
이것은 빠른 버전입니다. 호기심이 화성에 착륙 한 것에 대한 광범위한 개요를 원한다면 Emily Lakdawalla의“호기심의 설계 및 엔지니어링”을 확인하는 것이 좋습니다.
호기심은 무게가 1 톤에 불과했습니다.
더 무거운 것은 확장되지 않습니다
더 무거운 페이로드로 동일한 작업을 원하십니까? 더 큰 에어로 쉘, 더 큰 낙하산, 더 큰 스카이 크레인을 상상할 것입니다.
이론적으로 SpaceX Starship은 100 톤의 식민지 주민과 그 물질을 화성 표면으로 보낼 것입니다.
여기 문제가 있습니다. 화성 대기에서 감속하는 방법은 크게 확장되지 않습니다.
먼저 낙하산부터 시작하겠습니다. 솔직히 말해서, 1 톤에서, 호기심은 낙하산을 사용할 수있는만큼 무겁습니다. 더 무겁고 엔지니어가 감속 하중을 처리 할 수있는 재료는 없습니다.
몇 달 전, NASA 엔지니어들은 APIRE (Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment)의 성공적인 테스트를 축하했습니다. 이것은 2020 년 화성 탐사선 임무에 사용될 낙하산입니다.
그들은 나일론, 테크노 라, 케블라와 같은 고급 복합 직물로 만들어진 낙하산을 울리는 로켓에 올려 놓고 37km의 고도로 발사하여 우주선이 화성에 도착할 때 경험할 수있는 조건을 모방했습니다.
낙하산은 순식간에 전개되었고 완전히 팽창하여 32,000 킬로그램의 힘을 경험했습니다. 당시 탑승 한 경우 안전 벨트 착용시 100km / h의 벽에 부딪히는 것보다 3.6 배 많은 힘이 발생합니다. 다시 말해, 당신은 살아남지 못할 것입니다.
우주선이 더 무겁다면 불가능한 복합 직물로 만들어야합니다. 그리고 승객은 잊어 버리십시오.
NASA는 3 톤 정도의 화성에 더 많은 페이로드를 착륙시키기 위해 다양한 아이디어를 시도해 왔습니다.
하나의 아이디어를 저밀도 초음속 감속기 (LDSD)라고합니다. 이 아이디어는 우주선이 화성 중력에 진입 할 때 탄력이있는 성처럼 우주선 주위로 팽창하는 훨씬 더 큰 공기 역학적 감속기를 사용하는 것입니다.
2015 년 NASA는 실제로이 기술을 테스트하여 풍선에 프로토 타입 차량을 36km의 고도로 운반했습니다. 그 후 차량은 탄탄한 로켓을 발사하여 55 킬로미터의 고도까지 운반했습니다.
위로 올라 가면서 Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator의 직경을 6 미터 (또는 20 피트)로 팽창시킨 후 Mach 2.4로 느려졌습니다. 불행히도 낙하산이 제대로 배치되지 않아 태평양으로 추락했습니다.
진행 상황입니다. 그들이 실제로 공학과 물리학을 연구 할 수 있다면 언젠가 화성 표면에 3 톤의 우주선이 착륙하는 것을 볼 수 있습니다. 3 톤.
더 많은 추진력, 더 적은화물
화성 착륙을 확장하는 다음 아이디어는 더 많은 추진력을 사용하는 것입니다. 이론적으로 화성에 도착하면 더 많은 연료를 운반하고 로켓을 발사하고 그 속도를 모두 취소 할 수 있습니다. 물론 문제는 감속하기 위해 운반해야 할 질량이 많을수록 실제로 화성 표면에 착륙 할 수있는 질량이 적다는 것입니다.
SpaceX Starship은 화성 표면으로 100 톤을 내리기 위해 추진 착륙을 사용할 것으로 예상됩니다. 보다 직진적이고 빠른 경로를 취하고 있기 때문에 Starship은 화성 대기를 8.5km / s보다 빠르게 타격 한 다음 공기 역학적 힘을 사용하여 진입 속도를 늦 춥니 다.
물론 이렇게 빨리 갈 필요는 없습니다. 우주선은 에어로 브레이킹을 사용하여 상층 대기를 여러 번 통과하여 속도를 피할 수 있습니다. 실제로, 이것은 화성에가는 궤도 우주선이 사용하는 방법입니다.
그러나 탑승 한 승객들은 우주선이 속도를 늦추고 화성 주위를 공전 한 다음 대기를 통과하기 위해 몇 주를 소비해야했습니다.
엘론 머스크 (Elon Musk)에 따르면, 모든 열을 처리하기위한 유쾌하고 직관적이지 않은 전략은 스테인리스 스틸로 우주선을 만드는 것이며, 쉘의 작은 구멍은 우주선의 바람 쪽을 시원하게 유지하기 위해 메탄 연료를 배출합니다.
속도가 충분히 떨어지면 랩터 엔진을 발사하고 화성 표면에 부드럽게 착륙합니다.
지상을 목표로, 마지막 순간에 당겨
우주선이 화성 표면으로 내리는 속도를 늦추기 위해 사용하는 모든 킬로그램의 연료는 표면으로 운반 할 수없는 킬로그램의화물입니다.
화성 표면에 무거운 탑재 물을 쉽게 착륙시키는 실행 가능한 전략이 있는지 잘 모르겠습니다. 나보다 똑똑한 사람들은 엄청난 양의 추진제를 사용하지 않으면 불가능하다고 생각합니다.
엘론 머스크는 방법이 있다고 생각합니다. 그리고 그의 아이디어를 할인하기 전에 팔콘 헤비 로켓 랜드의 트윈 사이드 부스터를 완벽하게 함께 보도록합시다.
그리고 중앙 부스터에 일어난 일에주의를 기울이지 마십시오.
Urbana-Champaign의 일리노이 대학교 항공 우주국의 새로운 연구에 따르면 화성에 대한 임무는 화성 표면에 더 가까운 더 두꺼운 대기를 이용할 수 있다고 제안합니다.
“화성에서 탄도 계수가 높은 차량의 진입 궤도 옵션”이라는 제목의 논문에서 연구원들은 화성으로 비행하는 우주선이 속도를 없애기 위해 서두를 필요는 없다고 제안합니다.
우주선이 대기를 통해 비명을 지르더라도 여전히 대기를 조종하는 데 사용할 수있는 많은 공기 역학적 리프트를 생성 할 수 있습니다.
그들은 계산을 수행하고 이상적인 각도는 우주선을 똑바로 똑바로 가리키고 표면을 향해 다이빙하는 것임을 발견했습니다. 그런 다음 마지막 순간에 공기 역학적 리프트를 사용하여 위로 당겨 대기 중 가장 두꺼운 부분을 가로 질러 비행하십시오.
이것은 항력을 증가시키고 하강 엔진을 켜고 동력 착륙을 완료하기 전에 가장 많은 속도를 제거 할 수 있습니다.
그거 재미 있겠다
인류가 화성 표면에서 실행 가능한 미래를 만들려면이 문제를 해결해야합니다. 화성에보다 안정적이고 안전하게 착륙 할 수 있도록 일련의 기술과 기술을 개발해야합니다.
사람들이 기대하는 것보다 훨씬 더 어려울 것으로 예상되지만 앞으로 몇 년 안에 테스트 될 아이디어를 기대하고 있습니다.
낸시 앳킨슨에게 감사합니다 여기이 주제를 다루었 다 10 년 전에 Space Magazine에서이 동영상을 제작하도록 영감을주었습니다.
