인류의 야심이 커짐에 따라, 우리는 우주 비행사를 파견하여 화성을 탐험하는 것을 고려하기 시작했다. 심지어 이미 미래의 식민지 활동을 시작했을지도 모른다. 이를 위해서는 우주 탐사에서 가장 큰 문제 중 하나를 해결해야 합니다. 즉, 무거운 페이로드를 성공적으로 운송하고 화성 표면에 착륙하는 것은 정말 어렵습니다!
화성에 착륙하는 데는 보호 자기장 부족, 저중력, 추운 온도 등 많은 도전이 있다. 화성의 대기 중 이산화탄소 함량도 높다. 우주복을 입지 않고 화성 표면에 서 있으면 얼지 않아도 산소가 부족해 질식할 수 있다.
하지만 위에서 언급한 어려움에 비해 가장 큰 문제는 화성의 대기가 너무 희박해서 화성의 기압이 지구의 1% 미만이라는 점이다. 이 희박한 대기층이 붉은 행성 표면에 대량의 유효 하중을 안전하게 착륙시키는 것은 매우 도전적인 것으로 드러났다. 사실, 지금까지 화성 임무의 53% 만이 계획대로 정상적으로 작동했다.
이 문장 에서 나 는 이전 화성 임무 를 되돌아보고 유인 탐사 화성 의 구체적 인 도전 을 상세히 묘사할 것 이다.
역사적으로, 화성 임무는 기본적으로 2 년 동안의 화성 발사 창구에서 지구에서 발사되었다. 이 기간 동안 발사된 항공기는 지구에서 화성까지의 노선이 상대적으로 짧으며 필요한 시간도 상대적으로 적다. 유럽 우주국과 러시아 우주국이 공동 개발한 ExoMars 의 첫 번째 부분은 20 16 년 3 월 14 일 발사돼 그해 6 월 10 일 화성 궤도에 진입했다. 미국 항공우주국의 화성 관찰자호 (Insight) 는 20 18 년 5 월 5 일 발사됐고 20 165438 년 10 월 26 일 화성 표면에 성공적으로 상륙했다. 미국 항공우주국의 화성 2020 로밍차는 2020 년 7 월 17 일 진행되며 2026 년 2 월 18 일 화성에 착륙할 예정이다. 이러한 임무는 모두 성간 이동 궤도를 따르며, 가장 빠르거나 가장 적은 연료로 목적지에 도착하도록 설계되었다.
우주선이 화성 대기권에 진입했을 때, 그 속도는 시속 수만 킬로미터에 달했다. 붉은 행성의 표면에 가볍게 착륙하기 전에, 그것은 반드시 어떤 방식으로 속도를 줄여야 한다.
지구상에서, 우리는 두꺼운 지구 대기를 이용하여 하강 속도를 늦추고, 단열재를 이용하여 우주선의 속도를 늦출 수 있다. 제대 우주 왕복선의 단열와는 재진입 시 발생하는 공기 마찰열을 흡수하여 이 77 톤 무게의 궤도 항공기의 속도를 시간당 28,000 킬로미터에서 0 으로 낮추도록 설계되었습니다. 같은 기술이 진싱 상륙과 목성에도 적용된다. 지구와 비슷한 조밀한 대기층이 있기 때문이다.
대기권 없이 달에 착륙하는 것도 비교적 간단하다. 대기층이 없으면 단열재가 필요하지 않고, 프로펠러로 하강할 때까지 트랙을 낮추기만 하면 됩니다. 충분한 추진제를 휴대하면 순조롭게 착륙할 수 있다.
화성 임무로 돌아가다. 일반적으로 우주선은 시속 20,000 킬로미터 정도의 속도로 희박한 대기층으로 들어간다. 우리는 대기 마찰과 저항을 통해 우주선을 감속시키거나 달에서의 착륙 전략을 채택할 수 없으며, 전적으로 우주선 추진기에 의지하여 감속할 수 없다. 화성에 잦은 황사가 우리 상륙의 난이도를 더욱 증가시킬 것이다.
전통적으로 화성 탐사 임무가 착륙을 시작할 때 우주선의 페어링은 일부 우주선의 비행 속도를 낮추는 데 도움이 될 것이다. 역사적으로 화성 표면으로 보내진 가장 무거운 탐사선은 미국 항공우주국이 20 1165438+10 월 26 일 카나빌라르에서 발사한' Cuirisity' 화성 탐사선이다. 이듬해 8 월 6 일 화성 대기권에 진입했을 때 우주선의 속도는 초당 5.9 킬로미터, 즉 시속 2 만 2 천 킬로미터도 채 되지 않았다.
호기심호는 지금까지 화성에 발사된 가장 큰 항공기로 최대 길이는 4.5 미터이다. 거대한 페어링은 일정한 기울기 각도를 가지고 있어 우주선이 화성의 희박한 대기권에 진입할 때 기동을 하여 선택된 착륙구역에 착륙할 수 있도록 한다.
화성 표면에서 약 13 1 km 의 높이에서 우주선의 추진기가 불을 붙이기 시작했고 우주선이 완벽한 착륙 궤도로 조정되었다. 약 80 초의 대기권 비행을 거쳐 단열판의 온도가 섭씨 2 100 도까지 올라갔다. 우주선을 태우지 않기 위해 페놀 함침 탄소 제거 재료 (PICA) 라는 특수 재료가 단열 커버에 사용된다. 그건 그렇고, 우주 탐사 기술 회사는 유인' 용' 우주선에서 같은 재료를 사용했다.
우주선 속도가 마하 2.2 이하로 떨어지면 우주선은 지금까지 화성 임무를 위해 제작된 최대 낙하산을 16 미터로 방출한다. 이 낙하산은 29,000 킬로그램의 저항을 발생시켜 우주선의 하강 속도를 더욱 낮출 수 있다. 낙하산의 매달린 선은 Technora 아라미드 섬유와 Kevlar 로 만들어졌는데, 이것은 지금까지 우리가 알고 있는 가장 견고하고 내열성이 뛰어난 재료이다.
그런 다음 낙하산을 버리고 로켓 엔진을 이용하여 우주선의 하강 속도를 더욱 늦추었다. 화성 표면에 충분히 접근할 수 있을 때, 호기심호는 공중 크레인을 사용하여 탐사 로봇을 천천히 지면에 착륙시켰다.
이들은 호기심 착륙 과정의 간단한 버전입니다. 화성 착륙에 대한 호기심호의 전면적인 이해를 원하신다면 에밀리 라크다발라가 쓴' 호기심호의 디자인과 공사 건설' 책 (미국산) 을 읽어보시기 바랍니다.
하지만 호기심 번호는 1 톤밖에 되지 않는다. 우리는 더 큰 공압식 페어링, 더 큰 낙하산, 더 큰 공중 크레인을 사용하여 더 무거운 우주선을 화성 표면에 착륙시킬 수 있는지 물어볼 수 있습니다. 이론적으로 우주탐사기술회사' 스타우주선' 은 무게가 65,438+000 톤에 달하는 사람과 화물을 화성 표면으로 보낼 수 있다.
이것이 문제입니다. 호기심호가 화성 대기에서 감속되는 방법은 더 무거운 착륙 우주선을 효과적으로 확대할 수 없다.
우선 낙하산부터 시작하겠습니다. 솔직히 말해서, 1 톤 무게의 호기심호는 낙하산이 착륙할 수 있는 최대 무게일 것이다. 현재 엔지니어들은 더 무거운 우주선 착륙에 필요한 감속 하중을 견딜 수 있는 어떤 재료도 찾을 수 없다.
몇 달 전 미국 항공우주국의 엔지니어들은 고급 초음속 낙하산 팽창 연구 실험 (ASPIRE) 의 성공 테스트를 축하했다. 이것은 화성 2020 (착륙선 이름: 화성 2020 로밍카) 탐사 임무에 사용될 낙하산입니다.
기술자는 나일론, Technora 아라미드 섬유, Kevlar 등 선진 복합재로 만든 낙하산을 탐사로켓에 넣고 37km 높이로 발사해 우주선이 화성에 도착했을 때의 경험을 모방했다. 낙하산은 몇 분의 1 초 안에 풀려 완전히 열렸고, 그동안 32,000 킬로그램의 견인력을 겪었다. 우주선에 있다면 안전벨트를100km 의 시속 3.6 배로 벽에 부딪칠 때와 같은 장력을 받는다고 상상해 보십시오. (존 F. 케네디, 안전벨트, 안전벨트, 안전벨트, 안전벨트, 안전벨트, 안전벨트, 안전벨트) 외람되지만, 이 경우 당신은 전화만 끊을 수 있습니다.
승객 자체는 말할 것도 없고, 낙하산이 더 무거운 우주선의 감속력을 견딜 수 있는 복합 원단은 아직 없다.
NASA 는 최대 3 톤의 하중과 같이 화성에 착륙할 수 있는 다양한 방법을 시도해 왔습니다.
한 가지 방법을 저밀도 초음속 감속기 (LDSD) 라고 합니다. 이 아이디어는 더 큰 공기역학 감속기를 사용하는 것이다. 우주선이 화성의 중력 범위에 들어갈 때, 그것은 성을 부풀리는 것처럼 우주선 주위에 바람을 넣는다. (알버트 아인슈타인, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 스포츠명언)
20 15 년 동안 미국 항공우주국은 실제로 이 기술을 테스트하고 탐사 풍선에 프로토타입 우주선을 실었다. 프로토타입 우주선은 36 킬로미터 고공에서 자신의 고체 로켓에 불을 붙이고 그것을 55 킬로미터 고공으로 밀었다. 위로 비행할 때 초음속 팽창 공기역학 감속기를 직경 6 미터 (또는 20 피트) 까지 부풀린다. 그런 다음 감속기는 우주선을 2.4 마하로 감속시켰다. 불행히도, 실험의 마지막 단계에서 낙하산이 제대로 풀리지 않아 우주선이 결국 태평양으로 떨어졌다.
그러나 이것은 여전히 중대한 승리이다. 만약 정말 공사 건설을 완성할 수 있다면, 물리적으로 화성 환경에서 가능하다는 것을 증명할 수 있다. 그러던 어느 날, 우리는 3 톤의 우주선이 화성 표면에 착륙하는 것을 볼 수 있었습니다.
화성 착륙 무게를 늘리는 다음 아이디어는 더 많은 추진제를 사용하는 것이다. 이론적으로 우리는 더 많은 연료를 휴대할 수 있다. 화성에 도착한 후 로켓 엔진을 작동시켜 속도를 완전히 0 으로 낮췄다. 물론 문제는 감속을 위한 질량이 클수록 실제로 화성 표면에 착륙할 수 있는 유효 하중의 질량이 적다는 것이다.
우주탐사기술사의' 스타우주선' 은 이런 후추착륙방식을 이용해 100 톤의 하중을 화성 표면에 착륙시킬 것으로 예상된다. 더 직접적이고 빠른 경로를 통해 스타플릿은 8.5km/s 이상의 속도로 화성 대기권에 진입하여 공기역학을 이용하여 감속한다. 물론 이렇게 빨리 할 필요는 없습니다. 성간 우주선은 여러 차례 고층 대기를 통과하여 공기 제동을 이용하여 속도를 낮출 수 있다. 사실 이것은 궤도 우주선이 화성으로 날아갈 때 사용하는 감속 방법이다. 하지만 이 방법을 사용하면 우주선의 승객들은 몇 주 동안 기다려야 할 것이다. 우주선을 감속하여 화성 주위의 궤도로 들어간 다음 대기권으로 하강할 수 밖에 없다. (윌리엄 셰익스피어, 윈드서머, 희망명언) (윌리엄 셰익스피어, 윈드서머, 희망명언)
엘론에 따르면? 머스크 (WHO) 는 이 열량을 처리하는 즐겁고 직관적인 전략은 스테인리스강으로 우주선을 만드는 것이라고 말했다. 그런 다음 메탄 연료는 하우징에 분포된 작은 구멍을 통해 배출되어 우주선의 바람을 쐬는 면의 시원함을 유지한다.
1 킬로그램의 연료가 우주선을 감속하여 화성 표면에 착륙시키면 1 킬로그램의 화물을 땅에 가져갈 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해서 우리는 새로운 생각이 필요하다.
최근 일리노이 대학교 어바나 분교? 어바나 샴페인 대학교 항공우주과의 새로운 연구에 따르면 향후 화성 임무는 화성 표면에 더 가까운 더 두꺼운 대기를 사용할 수 있다. 높은 탄도 계수 화성 우주선의 착륙 궤도 선택' 이라는 논문에서 연구원들은 화성으로 가는 우주선이 속도를 낮추기 위해 서두를 필요가 없다고 제안했다. 우주선이 대기권에 진입할 때, 그것은 여전히 대량의 공압리프트를 생성하여 대기를 통과하도록 유도할 수 있다.
그들은 이상적인 각도가 우주선을 수직으로 떨어뜨리고 바닥으로 직접 급강하하는 것이라고 계산했다. 그리고 마지막 순간에 공압리프트를 이용하여 대기권에서 가장 두꺼운 곳에서 옆으로 움직입니다. 이것은 저항을 증가시켜 하강엔진을 가동하고 동력착륙을 완료하기 전에 우주선이 대부분의 속도를 잃게 할 것이다.
현재로서는, 이것은 더 연구할 만한 재미있는 생각이다.
인간이 화성 표면에 실행 가능한 미래를 만들고 싶다면, 우리는 이 문제를 해결해야 할 것이다. 우리는 화성에 착륙할 수 있도록 일련의 기술을 개발해야 한다.