Nesreće letjelica Challenger i Columbia su možda dva najistaknutija podsjetnika koliko je presudno je da sve funkcioniše besprijekorno da bi letjelice otišle u svemir i uspješno se vratile natrag na Zemlju.
Bilo da se radi o ventilu za zaustavljanje vrućih plinova, ili neispravnom komadu izolacijske pjene, naučnici i inženjeri moraju načiniti hiljade predviđanja svih stvari koje bi mogle poći po zlu tokom leta.
Ljudska misija na Mars predstavlja još veći izazov gdje se ljudi šalju na još veće udaljenosti i opasnije okruženje. Projektovanje letjelice koja sigurno može ući i izaći iz Marsove nepredvidive atmosfere, pravi je izazov.
“Svaki put kad smo letjeti na Mars, saznali smo malo više i postali malo pametniji”, rekao je Walter Engelund iz NASA-inog Istraživačkog centra Langley. “Jedna stvar koju smo naučili jest da je Marsova atmosfera svakako jedna velika varijabla. Mnogo je dinamičnija od Zemljine atmosfere.”
Za misije koje zahtijevaju ulaz i ponovni prolaz kroz atmosferu, dizajn letjelice obično zahtijeva svoj EDL (entry, descent and landing) sistem.
Engelund, zajedno s nekoliko drugih kolega iz NASA-e, objavio je pregled EDL sistema koji se trenutno predlažu za buduće misije na Mars s ljudskom posadom u nedavnoj knjizi pod naslovom “Ljudska misija na Mars. Koloniziranje Crvene planete.” Knjiga je kompilacija studija koju je napisao tim više od 70 naučnika, uključujući i četiri astronauta (dvojica koja su hodala po Mjesecu), nudeći detaljan vodič o tome kako uspješno ostvariti ljudsku misiju na Mars. Engelund je glavni autor studije EDL.
Upravljanje težinom
Do sada, NASA je imala šest uspješnih slijetanja na Mars: Viking I i II, Pathfinder, MER Spirit i Opportunity, i Phoenix. Međutim, sve ove misije bile su robotske misije s vozilima koja su znatno lakša od letjelica koje nose astronaute, potrošni materijal i gorivo za povratno putovanje.
Razvoj sistema za misiju na Mars s ljudskom posadom će zahtijevati pažljivo balansiranje između smanjenja težine i i pronalaženje načina da se koristi najmanja moguća količina goriva.
14 januara 2004, predsjednik George W. Bush je održao govor u sjedištu NASA-podvlačeći “novi kurs” za svemirske programe koji će “proširiti prisutnost čovjeka preko sunčevog sistema.”
Uz podsjetnik da je prošlo gotovo četvrt stoljeća, otkako je Amerika razvila novo vozilo za istraživanja svemira, Bush je pozvao na razvoj nove svemirske letjelice s ljudskom posadom.
“Mi ćemo graditi nove brodove koji nose čovjeka dalje u svemir, da ponovo stane na Mjesec i da se pripremi za nova putovanja u svjetove izvan našeg vlastitog”, rekao je Bush.
Kao odgovor na viziju o istraživanju svemira predsjednika Busha, NASA je u maju 2005, započela studiju Exploration Systems Architecture Study (ESAS), koja je poslužila kao nacrt za buduće svemirske letjelice da bi na kraju poslati ljude natrag na Mjesec, a i na Mars. NASA će možda, a možda i neće koristiti dizajn iz specifikacije navedene u ovom istraživanju, ali bez obzira na arhitekturu koju će na kraju koristiti, biće biti vrlo različita od arhitekture robotskih misija koja se koristi danas.
“Ako želimo poslati ljude na površinu onda ćemo trebati EDL sistem sposoban da isporuči najmanje 10 puta veću masu i volumen (od trenutnih robotskih misija na Mars),” rekao je Engelund. “NASA je zapravo već dala neke ozbiljne ideje za ovo tokom proteklih nekoliko godina.”
Najmanje 55 miliona kilometara dijeli Mars i Zemlju (udaljenost između dvije planete razlikuje za vrijeme njihove eliptične orbite oko Sunca).
Jedna od najvećih prepreka sa kojom se inženjeri suočavaju je količina goriva koje će biti potrebno za slanje letjelica na takve udaljenosti i povratno putovanje. Više goriva znači više težine, više težine znači i potrebu za više goriva za prijevoz te težine.
U orbitu Marsa s manje goriva
Iz sigurnosnih i operativnih razloga, letjelica koja će putovati na Mars vjerojatno neće sletjeti na površinu odmah nakon dolaska do Crvene planete.
“Za misiju ovih razmjera, vrlo je vjerojatno da ćemo imati letjelicu koja ostaje u orbiti s hranom i zalihama za put kući, a također i za” sigurno utočište “u slučaju da nešto pođe krivo na površini,” rekao je Engelund.
Ono što naučnici predviđaju je da cijela letjelica najprije uđe u orbitu Marsa, a da se zatim implementir lander dolje na površinu. Sposobnost da se prvo leti u orbiti planete prije slijetanja na nju će također će dati astronautima priliku da promatraju atmosferu kako bi se osiguralo da nema pješčanih oluja ili drugih opasnih vremenskih uslova na mjestu gdje planiraju slijetanje.
Za ulazak u orbitu Marsa, naučnici planiraju koristiti metodu koja se zove aerocapture, a koja nikad prije nije pokušana.
“Jedan od problema za dolazak letjelice na drugu planetu je da je prvo moramo izvući iz Zemljine orbite”, objasnio je Engelund. “Dakle, moramo je ubrzati na dovoljno veliku brzinu da se oslobodi zemljinog gravitacijskog polja. Zatim, kada letjelica dođe na odredišnu planetu, ona mora opet usporiti, tako da je gravitacijsko polje te planete zarobi u orbiti.”
Proces koji se zove aerobraking se uspješno koristio u prethodnim misijama.
Aerobraking koristi pogon da prvo ubaci letjelicu u orbitu (hvatanje), a zatim kruži (ili se postiže željena putanja) tako da letjelica prođe kroz gornji dio atmosfere nekoliko puta. Aerocapture, s druge strane, obavlja obje stvari, hvatanje i orbitu, u jednom prolazeći kroz dublju atmosferu.
Obično, usporavanje letjelice obavlja se paljenjem retro raketa, ili raketa koje idu u smjeru suprotnom od onog u kojem letjelica putuje.
Prema Engelundu, ta metoda zahtijeva puno goriva koji se mora nositi sve dok letjelica ne stigne na Mars. To dodatno otežava već tešku letjelicu i vrlo je skupo.
Aerocapture manevar umjesto toga koristi povlačenje uzrokovano gornjom atmosferom planete da uspori letjelicu. Atmosfera, u ovom slučaju, služi kao “kočnica” za letjelicu, eliminirajući potrebu za dodatnim gorivom.
Unatoč prednosti korištenja aerocapture metode, naučnici su proučavali neke nedostatke i kako se nositi s nekim od potencijalnih problema koji mogu nastati.
Prema autorima ovog izvještaja, historijske studije su pokazale da je aerocapture tehnologija prilično niskog rizika. Međutim, mnoge od tih studija temeljile su se na maloj nosivosti prikladnoj za robotske misije.
Tokom aerocapture manevra, letjelica mora duboko uroniti kroz atmosferu Marsa. Trenje koje se stvara tokom ulaska uzrokuje energiju jbrzine letjelice koja će biti pretvorena u toplinu.
Ovo grijanje će zahtijevati dodatni oklop i sistema za toplinsku zaštitu da zaštiti letjelicu i sve što je unutra. Engelund je rekao da će čak i uz ove dodatne komponente, a koristeći aerocapture i dalje zahtijevati manju ukupnu težinu nego ulazak u orbitu Marsa nego napunjen gorivom.
Drugi potencijalni problem je kompjuterski softver koji vodi letjelicu dok aerocapture ne prođe. Program koji se koristi je dovoljno pametan da prepozna važne parametre: kako duboko u atmosferu letjelica treba ići, kako pratiti napredak u realnom vremenu, i predvidjeti kada će se vratiti iz atmosfere do tačne orbite .
Preciznost je ključ
“Previše duboko i izgorio si”, objasnio je Engelund. “Previše plitka i nećete izgubiti dovoljno brzinske energije, a kada se vratite, ili ne dođete u odgovarajuće orbitu ili još gore, otplovite pored planete.”
Dublje poznavanje atmosfere Marsa pomoći će naučnicima da srede ovaj postupak.
“Ali to su sve stvari koje smo dosad učili godinama, u nekim slučajevima čak i desetljećima, i (mi) se osjećamo sigurni da možemo dizajnirati aerocapture sistempomoću trenutne tehnologije”, rekao je Engelund.
Budžetska ograničenja za letove na Mars
U aprilu prošle godine, predsjednik Barack Obama, govoreći na konferenciji u NASA-inom Kennedy Space Centru, ponovio je američko opredjeljenje za slanje čovjeka na Mars.
“Do 2025, očekujemo novu letjelicu dizajniranu za duga putovanja kako bi poslali prvu misiju s posadom dalje od mjeseca, u duboki svemir”, rekao je Obama. “Krenućemo sa slanjem astronauta na asteroid po prvi put u historiji. Do sredine 2030, ja vjerujem da možemo poslati ljude u orbitu Marsa i vratiti ih sigurno na Zemlju. I slijetanje na Mars će uslijediti. I ja očekujem da budem tu, da to vidim. ”
Od tada, međutim, NASA prolazi kroz smanjenja budžeta koji će imati utjecaj na razne programe, uključujući i one koji se bave projektiranjem letjelica za letove na velike udaljenosti.
“Ja mislim da NASA je odlučila uraditi jedan korak nazad i pogledati širi spektar ulaganja u tehnologiju kako bi se omogućilo buduće istraživanje svemira izvan zemljine orbite”, rekao je Engelund.
Neke od tih rezova će najvjerojatnije naći svoj put do programa Mars i odrediti da li će i kada ljudi biti u mogućnosti istraživati Crvenu planetu.
“Nažalost, razvoj usko je vezan za budžet”, rekao je Howard Ayanna, vanredni profesor električnog i računarskog inženjerstva i robotike na Georgia Institutu za Technology. “Ako imaju dovoljno sredstava na raspolaganju, naučnici (i) inženjeri će biti u mogućnosti razviti i integrirati potrebne EDL komponente potrebne za ljudske misije na Mars u narednih 30 godina. Ako nema dovoljno sredstava, neće biti izvodljivo u ovom roku.”
Misija na Mars s posadom još uvijek zahtijeva mnogo istraživanja i investicija, naučnici i vlade moraju razmotriti alternativne opcije, ako žele vidjeti čovjeka, iz bilo koje zemlje, da slijeće na Mars.
“Mislim da postoji pravi osjećaj da NASA ovo ne može izvesti sama, te će se okrenuti prema međunarodnom partnerstvu i saradnji”, rekao je Engelund. “Lično mislim da postoji veliki potencijal za slanje ljudi na Mars, i najbolji put da se to učini je dopuštajući mnogim zemljama da rade zajedno”