OSVAJANJE SVEMIRA
Pripremio: Dragan Lazarević
Prošla i buduća sletanja
Do Marsa i nazad
Od svih planeta Sunčevog sistema Mars je uvek budio najveće interesovanje zato što je najsličniji Zemlji. Iako je devet puta manje mase od naše planete, približno dvostruko manjeg prečnika i hladniji prosečno za 60° C, uslovi na njegovoj površini omogućavaju rad ljudske tehnike i nisu prepreka boravku čoveka, uz odgovarajuću tehničku zaštitu.
Višedecenijski razvoj astronautike uticao je na dosad sedam uspešnih spuštanja kosmičkih sondi na Marsovu površinu. Brojni podaci koji su sa Marsovih lendera i rovera stigli na Zemlju omogućili su dobro poznavanje uslova na njegovoj površini a slike koje smo videli toliko su približile pejsaže Marsa da nam oni izgledaju ne mnogo drugačiji u odnosu na pustinje na Zemlju.To je dovelo do širenja vizije da će se, daljim razvojem tehnike, u ne tako dalekoj budućnosti spustiti i moduli sa ljudskom posadom, Mars će biti naseljen i tako postati novo mesto trajnog boravka ljudi.
Pravo u peščanu oluju
Uspešno spušanje sondi na Marsovu površinu zahtevalo je rešavanje brojnih tehničkih problema i tek je dostizanje određenog nivoa širokog spektra raznih grana tehnike i tehnologije dovelo do jedne tako uspešne misije kao što je spuštanje rovera kjurioziti.
 Mars je okružen retkom ugljen-dioksidnom atmosferom, pritisak na površini je oko 130 puta manji nego na Zemljinoj površini a gustina te atmosfere je oko 100 puta manja od Zemljine. Zahvaljujući postojanju čak i tako retke atmosfere, brzina kosmičke letelice koja prilazi Marsu i ubrzava pod dejstvom njegove gravitacije može se smanjiti aerokočenjem, što zahteva odgovarajuću zaštitu u vidu termičkog štita. Ali, da kojim slučajem Mars, kao npr. Mesec, nema atmosferu, smanjenje brzine bi se moglo obaviti samo radom retroraketa koja bi morala da bude oko deset puta masivnija od termičkog aeroštita.
Sadašnje kosmičke sonde ulaze u Marsovu atmosferu direktno sa međuplanetarne putanje, brzinama od 5,6 do 7 km/s. Čak 99% njihove kinetičke energije se konvertuje u toplotu zahvaljujući aerokočenju preko aeroštita. Posle smanjenja brzine na oko 500 m/s, otvara se padobran koji smanjuje brzinu na manje od 100 m/s, a potom se završno zaustavljanje obavlja retroraketama. Ovako složena procedura je neophodna jer retka Marsova atmosfera ne omogućava usporavanje padobranom sve do malih brzina, kao u slučaju kapsula koje se vraćaju na Zemlju (npr. sojuz ).
Marsov reljef stvara dodatni problem jer se završno atmosfersko kočenje obavlja do visine od 10 km iznad srednjeg nivoa planete a pojedini vulkanski regioni su viši za 20 km iznad tog nivoa.
Prvi pokušaji spuštanja sondi na Marsovu površinu obavljeni su od strane sovjetskih naučnika 1971. Sonda mars 3 imala je prečnik 1,2 m, masu od 358 kg, a sa termičkim štitom prečnika 2,9 m i ukupno 1210 kg. Ona je brzinom od 5,7 km/s ušla u Marsovu atmosferu, obavila aerokočenje, odbacila termički štit, otvorila padobran i obavila završno kočenje retroraketama ispod kojih je visila. Na žalost, posle manje od 20 sekundi, emitovanje sa površine naglo je prekinuto. Možda je razlog prekida bila i peščana oluja koja je tada zahvatila celu planetu?
Traganje za znacima života
Sledeći pokušaj je obavljen 1974. sondom mars 6 približno iste mase i veličine. Sve faze pri ulasku u atmosferu Marsa su uspešno obavljene i sonda je, tokom spuštanja, slala signale 150 sekundi da bi, u trenutku kontakta sa tlom, naglo otkazala. Posle ovog neuspeha, Sovjetski savez nije slao sonde na Mars.
Prvo uspešno sletanje na Marsovu površinu obavile su američke sonde viking 1 i viking 2 , 1976. NASA je dugo pripremala taj projekat. Misija jedne sonde bila je skuplja od jedne misije kosmičkog broda apolo .
Sonde viking su se sastojale od orbitera mase 2235 kg i kapsule sa lenderom mase 1257 kg. Sa međuplanetarne putanje su ušle u izduženu orbitu oko Marsa (1500x32600 km). Orbiteri su za taj manevar potrošili oko 1000 kg goriva. Mesec dana kasnije se od orbitera odvojila kapsula prečnika 3,5 m sa lenderom unutar nje i, radom svog raketnog motora, obavila usporavanje i usmerila u Marsovu atmosferu. U momentu ulaska u atmosferu, masa kapsule je iznosila 992 kg a brzina 4,7 km/s. Aerokočenjem do visine 6,4 km iznad tla brzina je smanjena na 250 m/s i otvorio se padobran koji je dodatno usporavao do brzine 60 m/s. Završno usporavanje lendera mase 657 kg, koji se na visini od 1250 m otkačio od kapsule i padobrana, obavljeno je pomoću tri raketna motora promenljivog potiska 267-2667N. Lenderi su se uspešno prizemljili na tri stajne noge, potrošivši oko 85 kg jednokomponentnog goriva hidrazina. Poslali su slike okoline visokog kvaliteta i, zahvaljujući nuklearnim izvorima energije, godinama su slali podatke o klimi na površini Marsa. Eksperimenti u cilju nalaženja tragova života nisu dali jasan rezultat.
Fotoenergija dalekog Sunca
Naredna misija sletanja sonde na Mars, tzv. mars pathfinder obavljena je 1997. Iako su u njenom konstruisanju korišćeni svi podaci i tehnička rešenja sa sondi viking (oblik kapsule i materijal termičkog štita SLA-561V i padobran), ona je bila bliža koncepciji sovjetske sonde mars 3 . Ulazak petfajndera ukupne mase kapsule i lendera od 584 kg u Marsovu atmosferu izvršen je direktno sa međuplanetarne putanje brzinom od 7,26 km/s. Po obavljenom aerokočenju je otvoren padobran koji je usporio do 68 m/s, a završno usporavanje se obavilo retroraketama na čvrsto gorivo ispod kojih je sonda visila. Posle otkačinjanja od retroraketa na visini od 20 m, prizemljenje je obavljeno na vazdušne jastuke. Sonda je udarila o tle brzinom od 14 m/s i poput lopte petnaest puta odskakivala dok se nije umirila a vazdušni jastuci izduvali. Poslala je snimke okoline izuzetnog kvaliteta a mali eksperimentalni rover sojourner je ohrabrio NASA-u da pristupi sledećim misijama, slanju rovera spirit i oportjuniti , 2004.
Oni su za ulazak u Marsovu atmosferu, spuštanje i prizemljenje koristili istu tehniku kao i petfainder . Kapsule prečnika 2,65 m su ušle u atmosferu direktno brzinom od 5,4 i 5,5 km/s, ukupne mase po oko 830 kg, posle iste EDL (po teminologiji NASA-e: entry, descent, landing ) procedure i konačnog prizemljenja na vazdušnim jastucima i postavljanja u odgovarajući položaj, sa rampe su sišli roveri mase 185 kg. Spirit i oportjuniti su prešli kilometre po Marsovom tlu pokretani fotoenergijom dalekog Sunca koja je preko solarnih panela pretvarana u električnu energiju, punila akumulatora i pokretala elektromotore. Poslali su snimke okoline i brojne podatke o sastavu tla i dali deo odgovora o prošlosti Marsa.
Sledeća sonda koja je poslata na Mars je „feniks“, koja je 2008. sletela na Marsovu severnu polarnu oblast. Kapsula koju je koristila je istog tipa i prečnika kao i kod petfaindera i rovera spirit i oportjuniti . Ulazak u Marsovu atmosferu i otvaranje supersoničnog padobrana je obavljeno na sličan način ali je završno kočenje i spuštanje obavljeno retroraketama na tečno gorivo, slično lenderima viking . Lender feniks je imao masu od 360 kg (od toga, 59 kg naučnih instrumenata), uspešno je snimio okolinu, poslao obilje meteoroloških podataka i otkrio vodeni led ispod prašnjave površine.
Pokretna naučna laboratorija
NASA je imala samo jedan neuspeh u spuštanju sondi na površinu Marsa - sonda mars polar lander se 1999. razbila u pokušaju da sleti u blizini Marsove južne ledene polarne kape. Bila je u kapsuli prečnika 2,4 m i mase 354 kg a spuštenje je trebalo da obavi sopstvenim retroraketama. Pošto su sve EDL faze obavljene kako je trebalo, neuspeh je objašnjen prirodom terena na koji je trebalo da sleti, upadom u neku pukotinu ili propadanjem u rastresit materijal.
Ostvarenjem projekta Marsove naučne laboratorije, rovera kjurioziti koji je spušten 2012. u krater Gale, ostvaren je znatan tehnički napredak u odnosu na prethodne misije. Kapsula sonde je veća ne samo u odnosu na bliže prethodnike već i u odnosu na sonde tipa viking . Njen prečnik je iznosio 4,5 m a pri ulasku u atmosferu Marsa brzinom 6,1 km/s, masa je iznosila 3150 kg. Kapsula je prethodno odbacila balastne tegove od volframa mase 2x75 kg, što je dovelo do pomeranja centra mase u odnosu na tačku rezultante aerodinamičkih sila i omogućilo stvaranje uzgonske sile, kontrolisano aerokočenje i znatno preciznije usmeravanje kretanja ka oblasti predviđenoj za spuštanje.
Tokom spuštanja, raketni motori kapsule su održavali stabilnost i odgovarajući napadni ugao slično kao kod kapsule apolo . Svi elementi EDL procedure su uspešno obavljeni: na visini od 12 km odbačeni su balastni tegovi 6x25kg, čime je centar mase vraćen u osu kapsule a potom se otvorio padobran na visini od 10 km pri brzini od 2,05 maha, što je oko 500 m/s (brzina zvuka u Marsovoj hladnoj ugljendioksidnoj atmosferi je oko 250 m/s). Po smanjenju brzine na oko100 m/s, sletni odsek sa roverom se odvojio od gornjeg štita sa padobranom i sopstvenim raketnim motorima na hidrazin potpuno se zaustavio na visini od 20 m i, u fazi lebdenja nad tlom na konopcima, spustio rover na tle. Potom su odgovarajući uređaji na roveru presekli konopce i sletni odsek je dobio komandu da pojača potisak motora, odleti i padne na tle što dalje od rovera.
Misija spuštanja rovera kjurioziti , mase 899 kg, ima nekoliko pravaca tehničkog napretka u odnosu na prethodnike:
- kapsula koja se sastoji od aeroštita mase 385 kg i zadnjeg štita mase 349 kg je ne samo veća nego je i napravljena od materijala boljih termičkih i mehaničkih svojstava (tzv. PICA termički štit),
- sletni odsek je mase oko 1260 kg sa 8 retroraketnih motora, promenljivog potiska od 400N do 3100N, a masa goriva je 387 kg
- Padobran je supersonični, tipa DGB, prečnika 16 m i to je najveći padobran primenjen na Marsovim kosmičkim sondama.
Uspeh ove misije je ohrabrio ambicije da se razviju veće kapsule i lenderi, a šire se vizije leta sa ljudskom posadom i naseljavanje Marsa. Koliko je sadašnji nivo tehničkih rešenja zaista blizu ostvarenja tih vizija?
Put do modula sa ljudskom posadom
Tehnologija primenjena u dosad obavljenim misijama spuštanja na Marsovu površinu ograničava masu korisnog tereta do 1000 kg. Buduće misije kosmičkih sondi će zahtevati sve veće terete a i nove metode za njihovo spuštanje na Mars. Ograničavajući faktor je veličina kapsule jer teretni prostor na postojećim raketama nosačima ne može biti veći od 1,5 puta od prečnika stepena za lansiranje na putanju ka Marsu; u protivnom, raketa bi bila destabilizovana pri kretanju kroz Zemljinu atmosferu. Kapsula rovera kjurioziti prečnika 4,5 m će čitavu deceniju biti gornja granica primenljive veličine, dok ne bude spremna velika raketa nosač SLS sa prečnikom poslednjeg stepena od 7 do 8 m. To bi omogućilo kapsulu prečnika 10 do 12 m, mase sa lenderom 15 do 20 t i koristan tereret od 5 do 7 t, što bi bilo dovoljno za misiju dopremanja na Zemlju uzoraka Marsovog tla. Ali, cena SLS nosača je vrlo velika i neophodna su nova rešenja koja bi se uklopila u postojeće rakete nosače i kapsule.
Jedan pravac razvoja je naduvavajući aerokočeći štit, projekat NASA LDSD. Prvi eksperimenti lansiranja kapsule i naduvavanja štita sistema SIAD R su obavljeni 2014. Štit od višeslojne sintetičke i silikatne folije bi bio upakovan u kapsulu od 4,5 m, bio bi naduvan i dostigao bi prečnik od 6 m tek pošto glavni štit kapsule obavi najveći deo kočenja i izdrži najveće temperature i opterećenja. On bi obavio usporavanje brzine od 6 do 2 maha, kada je moguće otvaranje supersoničnog padobrana, iako bi bolje rešenje bilo usporavanje do brzine ispod 1 maha i otvaranje efikasnijeg subsoničnog padobrana. Postoji i projekat naduvavajućeg štita od 8 m. NASA razvija i padobran prečnika 33,5m. Kada bi se ova rešenja primenila, bilo bi moguće spuštanje tereta do 2 do 3 t ili manjih tereta na viša planinska područja Marsa.
Drugi pravac razvoja je supersonični retroraketni pogon. Pri dosadašnjim misijama lenderi su aktivirali svoje raketne motore tek pošto bi ih padobran usporio do brzine od oko 100 m/s. Padobran kao sistem usporavanja nije podesan za znatno veće terete , postoji i granica veličine izrade padobrana, nije dovoljno pouzdan za slanje misije sa ljudskom posadom. Supersonična retropropulzija podrazumeva rad retroraketa u toku aerodinamičkog kočenja, pri čemu bi mlaz iz raketnog motora bio suprotstavljen supersoničnoj struji Marsove atmosfere. Ako bi raketni motor imao izduv na sredini aerodinamičkog štita, to bi dovelo do izrazite nestabilnosti i smanjenja otpora štita pa je daleko bolje ali i složenije rešenje postavljanje bar tri izduvna otvora raketnih motora bliže obodu štita.
Projekat Red Dragon kompanije Space X Elona razmatra spuštanje kapsule dragon na površinu Marsa sa raketnim motorima smeštenim na zadnji štit koji bi izduvne gasove izbacivali pod odgovarajućim uglom. To bi donekle smanjilo ukupnu potisnu silu ali ne bi uticali na aerodinamički otpor prednjeg štita. Kako je masa kapsule dragon sa teretom oko 6 t a prečnik samo 3,6 m, aerokočenje bi bilo znatno slabije nego u slučaju kapsule kjurioziti pa bi masa goriva potrebnog za završno kočenje znatno smanjila masu korisnog tereta.
Vrlo riskantna rešenja
Lender sa ljudskom posadom zahteva znatno veći koristan teret od bar 15 do 20 t i širinu kapsule od 15 m. Ukupna masa kapsule sa lenderom bi trebala da bude 35 do 40 t. Pošto nema načina da se tako veliki aeroštit lansira sa Zemlje, on bi morao da se montira iz manjih delova u kosmosu radom kosmonauta, robota ili nekakvim automatskim sklapanjem, što je daleko iznad sadašnje operativnosti na ISS. Ako bi se kapsula prvo uvela u Marsovu nisku orbitu višekratnim delimičnim atmosferskim kočenjem ( aerocapture ), završni ulazak u atmosferu Marsa bi se obavio brzinom od oko 3,5 km/s, što bi znatno smanjilo opterećenje i omogućilo primenu štita manje mase. Za misije sa ljudskom posadom, štit na naduvavanje i padobran vrlo velikih dimenzija su vrlo riskantna rešenja i supersonično retroraketno kočenje je jedina opcija između aerokočenja i završnog retroraketnog kočenja.
Postoji mogućnost da se, umesto kapsula, koriste izdužena uzgonska tela dimenzije 30x10 m i hipersonični planeri analogni šatlu koji bi letom kroz Marsovu atmosferu uspešno održavali visinu, ali bi u završnici ostala velika horizontalna brzina koja bi morala da se anulira retroraketnim kočenjem.
Koji bi od ovih sistema mogao da dovede do spuštanja većih tereta na Marsovu površinu?
Aerokosmičke inženjere čeka težak zadatak da se odluče za najoptimalniji od njih. Izgradnja i ispitivanje velikih kapsula za spuštanje ljudske posade je mnogo teži i skuplji zadatak od misije sonde koja bi dopremila uzorke Marsovog tla na Zemlju. Ideje brzog naseljavanja ( Marsa Mars direct, Mars One ), osim džinovske rakete nosača, treba da prethodno reše i problem konstruisanja i ispitivanja pozdanosti kapsule i lendera sa ljudskom posadom. Cena toga bi mogla biti velika i za visoko razvijene države. Entuzijasti koji bi se sada prijavili na put ka Marsu bez povratka bi trebalo da realnije sagledaju mogućnosti sadašnje astronautike a i da se suoče sa činjenicom da, za ostvarenje misije sa ljudskom posadom, do sada nije konkretno učinjeno gotovo ništa.
Dragan Lazarević
Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"
|
