Im Jahr 2007 sprach ich mit Rob Manning, einem außergewöhnlichen Ingenieur am Jet Propulsion Laboratory, und er erzählte mir etwas Schockierendes. Obwohl er bei drei Mars-Rover-Missionen erfolgreich die Teams für den Eintritt, den Abstieg und die Landung (EDL) geleitet hatte, sagte er, dass die Aussicht auf die Landung einer bemannten Mission auf dem Roten Planeten möglicherweise unmöglich sei.
Aber jetzt, nach fast 20 Jahren Arbeit und Forschung – sowie weiteren erfolgreichen Mars-Rover-Landungen – haben sich die Aussichten laut Manning erheblich verbessert.
„Wir haben seit 2007 enorme Fortschritte gemacht“, erzählte mir Manning, als wir uns vor ein paar Wochen im Jahr 2024 unterhielten. „Es ist interessant, wie es sich entwickelt hat, aber die grundlegenden Herausforderungen, die wir 2007 hatten, sind nicht verschwunden, sie haben sich nur verändert.“ .“
Die Probleme ergeben sich aus der Kombination der ultradünnen Atmosphäre des Mars – die über 100-mal dünner ist als die der Erde – und der extrem großen Größe der für bemannte Missionen erforderlichen Raumfahrzeuge, die wahrscheinlich zwischen 20 und 100 Tonnen wiegen.
„Viele Menschen kommen sofort zu dem Schluss, dass es einfach sein sollte, Menschen auf dem Mars zu landen“, sagte Manning bereits 2007, „da wir erfolgreich auf dem Mond gelandet sind und routinemäßig Menschen befördernde Fahrzeuge vom Weltraum zur Erde bringen. Und da der Mars dazwischen liegt.“ Erde und Mond in der Größe und in der Menge an Atmosphäre, dann sollte der Mittelweg zum Mars einfach sein.
Aber die Atmosphäre des Mars bietet Herausforderungen, die es auf der Erde oder dem Mond nicht gibt. Ein großes, schweres Raumschiff, das durch die dünne, flüchtige Atmosphäre des Mars rast, hat nur wenige Minuten Zeit, um die ankommende interplanetare Geschwindigkeit zu verlangsamen (der Rover Perseverance war beispielsweise mit 12.100 Meilen pro Stunde unterwegs). [19,500 kph] als es den Mars erreichte) auf unter Mach 1 und dann schnell auf einen Lander umsteigen, um langsamer zu werden, um sanft aufsetzen zu können.
Im Jahr 2007 herrschte unter den EDL-Ingenieuren die Meinung vor, dass es zu wenig Atmosphäre gibt, um wie auf der Erde zu landen, aber tatsächlich gibt es auf dem Mars zu viel Atmosphäre, um schwere Fahrzeuge wie auf dem Mond allein mit Antriebstechnologie zu landen.
„Wir nennen es das Überschallübergangsproblem“, sagte Manning erneut im Jahr 2007. „Einzigartig auf dem Mars gibt es eine Geschwindigkeits-Höhen-Lücke unterhalb von Mach 5. Die Lücke besteht zwischen der Lieferfähigkeit großer Eintrittssysteme auf dem Mars und der Fähigkeit von.“ Über- und Unterschall-Verzögerertechnologien, um die Schallgeschwindigkeit zu unterschreiten.
Die bisher größte Nutzlast, die auf dem Mars gelandet ist, ist der Rover Perseverance mit einer Masse von etwa einer Tonne. Die erfolgreiche Landung von Perseverance und seinem Vorgänger Curiosity erforderte eine komplizierte, Rube Goldberg-ähnliche Reihe von Manövern und Geräten, wie zum Beispiel den Sky Crane. Größere, von Menschen zugelassene Fahrzeuge werden noch schneller und schwerer, was es unglaublich schwierig macht, sie zu bremsen.
„Wie bremst man also auf Unterschallgeschwindigkeit ab“, sagte Manning jetzt im Jahr 2024 als Chefingenieur am JPL, „um Geschwindigkeiten zu erreichen, bei denen wir traditionell wissen, wie wir unsere Triebwerke zünden müssen, um das Aufsetzen zu ermöglichen? Wir dachten an größere Fallschirme oder Überschallverzögerungsgeräte.“ wie LOFTID (Low-Earth Orbit Flight Test of an Inflatable Decelerator), getestet von der NASA), würden es uns vielleicht ermöglichen, langsamer zu werden, aber es gab immer noch Probleme mit beiden Geräten.“
„Aber es gab einen Trick, von dem wir nichts wussten“, fuhr Manning fort. „Wie wäre es, wenn Sie Ihr Antriebssystem nutzen und die Triebwerke rückwärts starten – Retro-Antrieb –, während Sie mit Überschallgeschwindigkeit fliegen, um Geschwindigkeit zu reduzieren? Im Jahr 2007 wussten wir die Antwort darauf nicht. Wir hielten es nicht einmal für möglich.“ .“
Warum nicht? Was könnte schiefgehen?
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„Wenn man Motoren rückwärts abfeuert, während man sich durch eine Atmosphäre bewegt, entsteht eine Schockfront, die sich bewegt“, erklärte Manning, „so dass sie vorbeikommen und das Fahrzeug treffen und es instabil machen oder Schaden anrichten könnte.“ „Sie fliegen auch direkt in die Abgaswolke des Raketentriebwerks, sodass es zu zusätzlicher Reibung und Erwärmung des Fahrzeugs kommen kann.“
All dies ist sehr schwer zu modellieren und es gab praktisch keine Erfahrung damit, da 2007 noch nie jemand Antriebstechnologie allein genutzt hatte, um ein Raumschiff abzubremsen und dann wieder auf der Erde zu landen. Das liegt vor allem daran, dass die schöne, luxuriös dichte Atmosphäre unseres Planeten ein Raumschiff leicht verlangsamt, insbesondere mit einem Fallschirm oder kreativem Fliegen, wie es das Space Shuttle tat.
Bildnachweis: Fraser Cain
„Die Leute haben es ein wenig studiert, und wir sind zu dem Schluss gekommen, dass es großartig wäre, es auszuprobieren und herauszufinden, ob wir Motoren rückwärts abfeuern und sehen können, was passiert“, sinnierte Manning und fügte hinzu, dass keine zusätzlichen Mittel im Umlauf seien Eine Rakete starten, nur um zuzusehen, wie sie wieder herunterkommt, um zu sehen, was passiert ist.
Doch dann begann SpaceX mit Tests, um den ersten Booster der Falcon 9 wieder auf der Erde landen zu lassen, um ihn wiederzuverwenden.
„SpaceX sagte, sie würden es versuchen“, sagte Manning. „Und um das zu erreichen, mussten sie den Booster in der Überschallphase verlangsamen, während er sich in der oberen Erdatmosphäre befand. Es gibt also einen Teil des Fluges, bei dem sie ihre Triebwerke rückwärts abfeuern.“ mit Überschallgeschwindigkeit durch eine dünne Atmosphäre, ganz ähnlich wie auf dem Mars.“
Wie Sie sich vorstellen können, war dies für die EDL-Ingenieure, die über zukünftige Marsmissionen nachdachten, unglaublich faszinierend.
Nach einigen Jahren voller Versuche, Irrtümer und Misserfolge führte SpaceX am 29. September 2013 das erste Überschall-Retropropulsionsmanöver (SRP) durch, um den Wiedereintritt der ersten Stufe seiner Falcon-9-Rakete zu verlangsamen. Während es letztendlich im Meer landete und zerstört wurde, wirkte das SRP tatsächlich so, dass es den Booster verlangsamte.
Die NASA fragte, ob ihre EDL-Ingenieure die Daten von SpaceX beobachten und studieren könnten, und SpaceX stimmte bereitwillig zu. Ab 2014 gründeten die NASA und SpaceX eine dreijährige öffentlich-private Partnerschaft namens NASA Propulsive Descent Technology (PDT), die sich auf die Analyse von SRP-Daten konzentriert. Die F9-Booster waren mit speziellen Instrumenten ausgestattet, um Daten speziell zu Teilen des Eintrittsbrandes zu sammeln, die im Bereich der auf dem Mars erwarteten Mach-Zahlen und dynamischen Drücke lagen. Darüber hinaus gab es visuelle und Infrarot-Bildkampagnen, Flugrekonstruktionen und Strömungsdynamikanalysen, die sowohl der NASA als auch SpaceX zugute kamen.
Zur Überraschung und Freude aller funktionierte es. Am 21. Dezember 2015 kehrte eine F9-Erststufe zurück und landete erfolgreich in der Landezone 1 in Cape Canaveral, der ersten Raketenlandung der Orbitalklasse überhaupt. Dies war eine bahnbrechende Demonstration von SRP, die das Wissen erweiterte und die Technologie der Verwendung von SRP auf dem Mars testete.
„Basierend auf den abgeschlossenen Analysen wird die verbleibende SRP-Herausforderung als eine der umsichtigen Flugsystemtechnik charakterisiert, die von der Reife spezifischer Mars-Flugsysteme abhängt, und nicht vom technologischen Fortschritt“, schrieb ein EDL-Team und beschrieb die Ergebnisse des PDT-Projekts in einem Papier. Kurz gesagt: Der Erfolg von SpaceX bedeutete, dass keine ausgefallene neue Technologie oder ein Verstoß gegen die Gesetze der Physik erforderlich war, um große Nutzlasten auf dem Mars zu landen.
„Es stellte sich heraus, dass wir etwas Neues über die Physik gelernt haben“, sagte Manning. Sie fanden heraus, dass die Schockfront-„Blase“, die um das Fahrzeug herum durch das Zünden der Triebwerke entsteht, das Raumschiff irgendwie vor Stößen und auch vor einem Teil der Erwärmung schützt.
Die EDL-Ingenieure glauben nun, dass SRP die einzige Mars-Eintritts-, Abstiegs- und Landetechnologie ist, die grundsätzlich über eine große Bandbreite und Größe von Missionen skalierbar ist, um während des atmosphärischen Flugs genügend Geschwindigkeit zu verlieren, um sichere Landungen zu ermöglichen. Neben der Luftbremsung ist dies eines der führenden Mittel, um schweres Gerät, Habitate und sogar Menschen auf dem Mars zu landen.
Dennoch bleiben zahlreiche Fragen ungelöst, wenn es um die Landung einer bemannten Mission auf dem Mars geht. Manning erwähnte, dass es mehrere Unbekannte gebe, unter anderem wie ein großes Schiff wie das Starship von SpaceX gesteuert und durch die Marsatmosphäre geflogen würde; Können Flossen mit Hyperschall verwendet werden oder werden sie durch die thermische Plasmaumgebung zum Schmelzen gebracht? Die Menge an Trümmern, die von großen Triebwerken auf einem menschengroßen Schiff aufgewirbelt werden, könnte tödlich sein, insbesondere für die Triebwerke, die Sie für die Rückkehr in den Orbit oder zur Erde wiederverwenden möchten. Wie schützt man also die Triebwerke und das Schiff?
Auf dem Mars kann es ziemlich windig sein. Was passiert also, wenn Sie während einer Landung auf Scherwinde oder einen Staubsturm stoßen? Welche Landebeine funktionieren für ein großes Schiff auf der felsigen Oberfläche des Mars? Dann gibt es noch logistische Probleme wie die Frage, wie die gesamte Infrastruktur aufgebaut werden soll. Wie werden Schiffe betankt, um nach Hause zurückzukehren?
„Das alles wird viel Zeit in Anspruch nehmen, mehr Zeit, als den Leuten bewusst ist“, sagte Manning. „Einer der Nachteile einer Reise zum Mars besteht darin, dass es schwierig ist, Versuch und Irrtum durchzuführen, wenn man nicht sehr geduldig ist. Das nächste Mal, dass man es noch einmal versuchen kann, ist 26 Monate später, wegen der Zeitspanne der Startfenster zwischen unseren beiden Planeten. Heilig.“ Eimer, was für ein Schmerz das sein wird! Aber ich denke, wir werden viel lernen, wann immer wir es zum ersten Mal versuchen können.“
Und zumindest wurde die Frage des Überschall-Retroantriebs beantwortet.
„Wir machen im Grunde das, was uns Buck Rogers in den 1930er-Jahren gesagt hat: Lass deine Motoren rückwärts laufen, während du richtig schnell fährst.“