(ili istorija sistema za spuštanje 'Perseverancea')
Nasin rover 'Perseverance' je težak 1025 kg i predstavljaće najtežu sondu koja je ikad dospela na površinu Marsa. Pre toga, to je bio 'Curiosity' sa 900 kg. Za to treba zahvaliti genijalnom sistemu za spuštanje nazvanom Sky Crane ('Nebeska dizalica'). Ali kako su Nasini inženjeri došli do ove neobične tehnike? Postoje li druge mogućnosti za sletanje velikih sondi na Crvenu planetu?
Testiranje sletnog sistema sa paletom predloženog početkom stoleća za slanje velikih rovera na površinu Marsa (NASA).
Kao što ljubitelji osvajanja kosmosa dobro znaju, sletanje na Mars nije trivijalna stvar[1]. Crvena planeta poseduje atmosferu, pa moramo da koristimo toplotni štit ako ne želimo da naš brod izgori pri ulasku. A budući da je ima, padobranima možemo da usporimo spuštanje. No atmosfera je preretka – pritisak na površini je manji od 1% Zemljinog – da bi se izvelo bezbedno sletanje isključivo korišćenjem padobrana. Ako verujemo samo tim sistemima, tačno je da ćemo stići do površine, ali otprilike dvostrukom brzinom zvuka. Logično, ovo objašnjava zašto su sve sonde morale da imaju i raketne motore za kočenje u finalnoj fazi spuštanja.
Roveri koje je NASA lansirala ka Marsu. 'Perseverance' (1025 kg) na putu je ka tamo.
Kombinacija termoštita, padobrana i raketa korišćena je u gotovo svim Marsovim misijama u kojima je bilo sletanja na površinu, ali prilagođavajući se posebnostima svake misije. Do razvoja 'Curiosityja', najveće Marsove sonde su bile dve sonde 'Vikinga'[2] iz 70-ih. Sa težinom lendera od 600 kg, 'Vikinzi' su koristili toplotne štitove prečnika 3,5 metra, padobrane prečnika 16 metara i po tri retro-rakete da bi na kraju postigli brzinu sletanja manju od 9 km/h. Sve naredne američke Marsovske sonde – 'Mars Pathfinder', MER ('Spirit'and 'Opportunity') i 'Phoenix' – bile su manje.
Termiški štitovi u Nasinim ranijim misijama na Crvenu planetu. Spoljni ablativni materijal je mogao da izdrži temperaturu od 1500°C.
Padobrani dosadašnjih lendera na Mars. U misiji 'Mars 2020', biće korišćen nadzvučni padobran prečnika 21,5 metara.
Uprkos svemu, neke od tih misija su predstavile vrlo zanimljive inovacije. Naprimer, 'Pathfinder' je skrenuo pažnju sveta uvođenjem seta vazdušnih jastuka kao dopune raketama za ublažavanje konačnog udara sa tlom (to je bio prvi put da se takav dizajn koristio na Marsu, mada ne i u Sunčevom sistemu. Erbegovi su se još 60-ih koristili za sletanje na Mesec sovjetskih sondi 'Луна' iz serije 'E-6M'[3]). Uz to, ove post-vikinške sonde su otvarale glavni padobran pri nadzvučnoj brzini, što je omogućilo da se brzina spuštanja još više smanji (kao što smo rekli, atmosfera Marsa je vrlo tanka, pa sonde nemaju vremena da smanje krajnju brzinu pre nego što stignu do površine).
'Vikinzi' su otvarali padobran pri brzini od 1,1 Mah, dok su misije 'Pathfinder', MER i 'Phoenix' to učinili pri 1,57, 1,7 i 1,6 Mahova. Logično, što je veća brzina otvaranja, to je veći rizik da padobran ne izdrži, nešto sa čim se ekipa MER rovera susrela kada je na jednom od poslednjih testiranja na Zemlji pred samo lansiranje sa užasom konstatovala da se padobran iscepao (srećom, 'Spirit' i 'Opportunity' su savršeno sleteli). Jedino rešenje je bilo uvođenje dva padobrana, manjeg nadzvučnog i većeg dozvučnog, ali nažalost u zamenu za povećanje ukupne težine sonde (usprkos svemu, evropsko/ruska sonda 'ExoMars 2020' će za dve godine koristiti ovu tehniku).
No, sva ta tehnologija nije bila dovoljna za 'Curiosity'[4]. Izvorno nazvana MSL (Mars Science Laboratory), misija je bila preambiciozna i preteška da bi se osiguralo bezbedno sletanje pomoću tradicionalnih tehnika. NASA je odlučila da koristi isti dizajn termoštita kao u prethodnim misijama (ablativni konus pod uglom od 70°), ali sa prečnikom od 4,6 metara. Obzirom na to da je danas najveći prečnik vrha rakete-nosaša 5 metara, jednostavno je nemoguće izgraditi veći čvrsti toplotni štit koji bi stao u vrh. Padobran je morao da bude znatno veći, preko 20 metara, ali proporcionalno sličan onome kod 'Vikinga', iako bi se ovog puta otvarao pri brzini od 2 Maha.
Levo: sekvenca aktiviranja vazdušnog jastuka i sletanje sovjetske E-6M ('Лунa 9'). Sletela je na Mesec 3. februara 1966. Desno: vazdušni jastuk sonde danas u Muzeju kosmonautike.
Jedna od prvih slika od pre puno godina na kojoj su poređeni Nasini roveri. Najmanji je 'Sojourner' ('Pathfinder'), sledi MER ('Curiosity'), i najveći je tadašnja verzija onoga što će postati poznato kao MSL.
Potom su se stručnjaci bacili na konstruisanje najvažnijeg dela: sistema za finalno spuštanje na površinu. Prva ideja inženjera iz JPL je bila da stvore sistem sličan 'Vikingu'. Rover bi bio montiran na vrh landera opremljenog s tri nogara i sa raketama za kočenje. Ovaj tradicionalni princip je bio savršeno pogodan za manje korisne terete, a to su potvrdili i drugi, jer će ga koristiti i rusko-evropska misija 'ExoMars 2020', danas pod promenjenim imenom 'ExoMars 2022'. No velika težina rovera MSL učinila je ovu tehniku neprikladnom. Velika težina rovera postavila je težište sklopa vrlo visoko, što je karakteristika koja je mogla da dovede do prevrtanja sonde ako bi pala na previše strmu padinu ili se prizemljila jednim nogarom na veliki kamen. Uz to, rampe kojima je rover morao da se spusti na površinu bile su prilično velike i relativno strme za vozilo od 900 kg (uprkos činjenici da bi težina na Marsu bila jedna trećina težine na Zemlji[5]).
Evolucija koncepta paletnog sletanja na Mars. Postoje planovi da se sistem koristi i za misije slanja rovera na Mesec.
Predloženi paletni sistem sletanja na Mars. Bio je dobar, ali ne i idealan za novu misiju koja se tada pripremala.
Kao rešenje, inženjeri su odlučili da konstruišu sletni stepen vrlo niskog profila, s nekoliko nogara za sletanje. Na taj način bi težište bilo dovoljno nisko, a rover je mogao lako da se spusti do površine. Takođe je sadržavao lukavo osmišljeno deformišuće dno čiji je zadatak bio da apsorbuje deo udarne sile. Ovaj dizajn, poznat kao 'paleta', uživao je veliku popularnost početkom prve decenije XXI stoleća, i ozbiljno je razmatran za korišćenje u misiji 'Mars Smart Lander', koja je otkazana. Na kraju je dizajn palete ipak odbačen za misiju MSL zbog niske tolerancije na sletanje na padinama i poteškoća u montiranju prikladnog pogonskog sistema na tako malu platformu.
Što onda uraditi? Inženjeri su odmeravali mogućnost nastavka stazom koju je utabala misija 'Pathfinder', odnosno, korištenje erbegova. Još složeniji i veći sistem vazdušnih jastuka od onog koji je koristio 'Pathfinder'mogao bi da ublaži ateriranje velikog rovera, naravno uz korišćenje retroraketa veće snage i podesivog potiska. Umovi Nasine labiratorije JPL iz Kalifornije su tada osmislili sistem u kojem bi se rakete nalazile iznad vazdušnih jastuka, kao u slučaju 'Pathfindera', ali bez potrebe da ostanu pričvršćene za sam padobran. Na taj bi način 'marsohod', umotan u vazdušni jastuk, visio sa sletnog stepena zakačen za gurtnu dok ne sleti. Prednost ovog sistema je u tome što nije bilo potrebno ugasiti motore sletnog stepena i što ga nije bilo potrebe zaštititi rover od udara kamenja podignutog izduvnim gasovima, uz to što bi kompatibilan sa gotovo svim vrstama padina terena. S druge strane, stavljanje tako velikog rovera u vodoravni položaj ne bi bilo nimalo lako, uz otežavajuću okolnost da bi neki instrumenti mogli da budu oštećeni tokom slijetanja.
Sletni sistem sa erbegovima okačenim o sletni stepen.
Trenutak odbacivanja vazdušnog jastuka. Na visini od 355 m jastuci u obliku tetraedra su se automatski naduvavali. Bili su testirani da amortizuju vertikalan udar pri brzini od 15 m/s. Na visini od 100 m uključivali su se motori montirani u gornjem delu štita. Na visini od ~21,5 m kidala se noseća gurtna, a štit i padobran su se udaljavali. Jastuci su udarili brzinom od 14 m/s i odskakali makar 15-ak puta.
Vektranski vazdušni jastuci prilikom testiranja u junu 1995. Desno je lender posle izduvavanja jastuka.
Otprilike u isto vreme, druge studije su predložile postavljanje pogonskog stepena sa dugačkim nogarimaiznad rovera. To je rešilo problem visokog težišta i olakšalo jednostavan pristup površini. Međutim, u ovom slučaju odvajanje stepena je izazvalo ozbiljne sumnje. Тakođe je bila zabrinjavajuća blizina izduvnih gasova do tla tokom sletanja: pesak i kamenje koje bi podigli mlazevi mogli bi da pogode rover i ozbiljno ga oštete. Ali šta ako bi se ovom sistemu dodao pogonski stepen tehnologije vazdušnih jastuka? U tom slučaju, rover bi visio direktno iz stepena i više ne bi bilo potrebno dodavati stajni trap – sami točkovi bi delovali u tom smislu – ili erbegove. Dizajn, koji će uskoro iz očitih razloga biti poznat kao Sky Crane, spajao je prednosti oba sistema. Sada je ostao samo problem kako razviti sigurnu tehniku spuštanja rovera na površinu i osigurati čisto ocvajanje od sletnog stepena.
Sistem sletanja sa nogarima. Desno se vidi da je sletni stepen smešten iznad rovera.
Prvobitni koncept 'Nebeske dizalice' (Sky Cranea).
Sletni stepen rovera 'Curiosity'. Isti sistem će se koristiti i prilikom spuštanja 'Perseverancea'.
Finalni 'Curiosity' dizajn sa sletnim stepenom uz korišćenje tehnike Sky Crane.
Tehnika Sky Cranea je delovala suludo, ali to je bio jedini način da 'Curiosity' stigne na Mars. Kao što svi znamo, sistem je radio savršeno i, zapravo, koristiće se gotovo nepromenjen u tekućoj misiji 'Mars 2020'. Čak i Japan razmišlja o sprovođenju misije svog rovera MELOS sa sličnim sistemom (naravno, mnogo skromnijim).
Ali šta ako budemo želimo da pošaljemo veću sondu (ili na veću nadmorsku visinu)? U tom slučaju ne bi bio dovoljan ni sistem Nebeskog krana. Jedino rešenje, kao što sam već rekao, jeste upotreba nadzvučnog retro-pogona, većih termoštitova (onih na otvaranje ili na naduvavanje) ili oblika 'nosećeg korpusa' (lifting body). Kompanija 'SpaceX' je imala u planu da 2022. lansira bespilotnu i jeftinu kosmičku sondu 'Red Dragon'na Crvenu planetu koja je trebala da prvi put upotrebi nadzvučni mlazni pogon za silazak na površinu (bez padobrana!). Malo po malo imaćemo na raspolaganju sve novije tehnologije za dosezanje Marsa.
Termoštitovi na naduvavanje i strukture za kočenje na naduvavanje, jedna od tehnologija za slanje ljudi koja najviše obećava.
Moguće kombinacije tehnologija koje omogućuju sletanja brodova s posadom na Mars. Korišćenje termoštitova na naduvavanje vrlo je efikasno s tačke dostave korisne težine na površinu planete (NASA).
Reference:
- http://spacecraft.ssl.umd.edu/design_lib/ICES01-2138.Mars_09_rover.pdf
- https://solarsystem.nasa.gov/history/docs/706597main_ConwayErik.pdf
- http://www.4frontiers.us/dev/assets/Braun_Paper_on_Mars_EDL.pdf
- http://h2m.exploremars.org/wp-content/uploads/2013/06/Entry-Descent-Landing_Adam-Steltzner.pdf
[1] Amerika ima uspeh u 23 misija od 29, a SSSR/Rusija svega 3 od 21 (7 je propalo još pri lansiranju). U novom veku, od 22 misije samo su 2 završila neuspehom.
[2] Pre tri godine sam za 40-godišnjigu lansiranja napisao vrednu e-knjigu od preko sto strana o misiji 'Viking'. U to vreme nije postojalo ništa naprednije na svetu: lansirana su dva orbitera i dva lendera.
[3] Koroljev je još 1958. napravio plan (preuzeto uz knjige 'Zabiravljeni kosmički brodovi E-7': ' …Serija sondi 'E-1' trebala je da se sudari sa Mesecom i služila je za proučavanje kosmosa van Zemljine niske orbite, kao i proveru tehnologije koja će navoditi brodove do našeg satelita. Između 1958. i 1959. lansirano je šest sondi tipa 'E-1' i 'E-1A', od kojih su samo dve došle do Meseca ili udarile o njega ('Луна 1' i 'Луна 2'). Serija 'E-2' i 'E-3' je služila zarad fotografisanja dalje strane Meseca i u periodu između 1959. 1960. lansirana su tri broda, ali je samo jedna, 'E-2A#1' ('Луна 3') postigla svoj cilj.
Ekstravagantna serija 'E-4', teška oko 400 kg, trebalo je da ponese nuklearne sprave na lunarnu površinu, dok su 'E-5' trebale da uđu u orbitu oko Meseca. Oba projekta su zbog političkih i tehničkih problema kasnije otkazana pre nego što su i dovršena. Zbog toga su bile dodate serije 'E-6' i 'E-7'. Namera je bila da 'E-6' meko slete na Mesec. SSSR je između 1963. 1966. lansirao 13 sondi tipa 'E-6' i 'E-6M', ali su samo dve postigle ciljeve ('Луна 9' i 'Луна 13'). 'E-7' su trebale da fotografišu Mesec sa orbite, sa ciljem planiranja u budućnosti još složenijih misija, kao što su 'E-8' (sa 'Луноходима') i 'E-8-5' (uzimanje uzoraka tla).'
[4] Treba reći da će mačo-antišovinistički rover 'Rozalind Franklin' u misiji 'ExoMars 2022' biti težak 'samo' oko 207 kg, što je svega 20% od američkih rovera.
[5] Recimo, 'Perseverance' će na Marsu biti težak 387 kg, dok je 'Curiosity' težak 344 kg. Ovde imaš računar za te stvari koji i ja često koristim.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
