Wpadła mi w ręce bardzo ciekawa prezentacja opisująca możliwą misję ściągnięcia próbek z Marsa na Ziemię za pomocą silnie zmodyfikowanego Dragona SpaceX. Prezentacja wykonana jest przez NASA i jej autorzy zadali sobie dużo trudu by policzyć tak dokładnie jak to jest możliwe czy taka misja domyka się z punktu widzenia masy. Zlokalizowano także dziury w naszej wiedzy technicznej, które należało by przed taką misją wypełnić.
Misja polegała by na wysłaniu na Marsa silnie zmodyfikowanego, bezzałogowego Dragona. W jego środku znajdowała by się dwustopniowa rakieta – jej pierwszy stopień ma na celu wyniesienie drugiego na orbitę Marsa a drugi stopień ma dostarczyć próbki na dość eliptyczną orbitę wokół Ziemi. Niestety nie ma miejsca na osłony termiczne i jedynym sposobem złapania próbek jest wysłanie czegoś z Ziemi (Oriona?, Dragona?, bezzałogowej sondy?) i w ten sposób dostarczenie ich na Ziemię.
Misja powiązana była by z nowym, marsjańskim łazikiem, który NASA planuje wysłać w okolicach 2020 roku. Ten łazik pozbierał by różne próbki materiału i dostarczył do Dragona.
Największym problemem było dokonanie bilansu masy – jako że Dragon lądował by na silnikach, to każdy kg. ładunku przekłada się na więcej paliwa które musi Dragon wziąć, a to na większą jego masę. Po długich i skomplikowanych obliczeniach wyszło że można wsadzić do Dragona około dwóch ton ładunku i wylądować tym wszystkim na Marsie przy założeniu użycia Falcona Heavy – wtedy cały ładunek będzie ważył około 13 ton i FH jest w stanie nadać mu prędkość C3 (wystarczającą do wyrwania się z grawitacji Ziemi). Z tych 13 ton, 5.3 tony waży Dragon z pustym bagażnikiem, 3.2 tony to dodatkowe paliwo i utleniacz niezbędne do tego by Dragon wyhamował i wylądował na Marsie a 2 tony to ładunek – 700 kg to wszelkiego rodzaju elektronika, mechaniczne ramie do przenoszenia próbek i tym podobne, 1100 kg waży pierwszy stopień rakiety pozwalającej na wysłanie próbek na orbitę Marsa a 200 kg to masa ostatniego stopnia rakiety, który musi wyrwać się z grawitacji Marsa i polecieć w stronę Ziemi (by zostać sprytnie złapanym przez jej grawitację).
Jednym z problemów jakie napotkano była technika wyhamowania Dragona w atmosferze Marsa – jako że atmosfera jest bardzo rzadka, to użycie znanego z ziemi, balistycznego hamowania nie jest realne – Dragon nie wyhamował by poniżej MACH 3 w atmosferze Marsa. Z tego powodu zaprojektowano wejście w atmosferę korzystające z efektu „kaczki”.
Dragon wszedł by pod pewnym kątem i odbił się od atmosfery – mniej więcej na wysokości 20 km. Pozwoliło by to na znaczące wyhamowanie kapsuły, tak by końcowa prędkość była rzędu MACH 2. To nadal spora prędkość i Dragon będzie musiał ją wytracić za pomocą silników – użycie spadochronów w atmosferze Marsa dla obiektu o masie kilkunastu ton nie ma sensu. Problemem jest nie tylko wytracenie prędkości pionowej, ale także (a nawet przede wszystkim) poziomej – przez większość hamowania, Dragon będzie przechylony 200 stopni od poziomu i będzie przede wszystkim likwidował poziomą składową prędkości.
Największym problemem jaki autorzy widzą jest brak wiedzy na temat użycia silników rakietowych w czasie hipersonicznego wejścia w atmosferę Marsa. NASA prowadziła badania nad hipersonicznym hamowaniem w czasie programu Viking, ale zakładano jeden, centralny silnik i wyniki tych badań są bezużyteczne. Problemem jaki widzą autorzy jest interakcja dwóch fal uderzeniowych – jedną z nich będzie tworzyła kapsuła poruszająca się z hipersoniczną prędkością a drugą gazy wylotowe z silników SuperDraco, których prędkość szacowana jest na MACH 10. Interakcje między tymi dwoma falami uderzeniowymi są bardzo skomplikowane, a symulacje wskazują na to że będą one powodować bardzo silne i gwałtownie zmieniające się fale ciśnienia. I właśnie te zmiany są niebezpieczne, jako że mogą one spowodować destabilizację kapsuły i katastrofę.
Dodatkowym problemem nad którym pracowała NASA jest czy warto używać silników do hamowania przy takich prędkościach. Czytelnikom wydawało by się pewnie że to jakaś głupota – jak mamy ciąg w tył to nie ma mocnych i musi hamować lepiej niż bez ciągu. Okazuje się że przy hipersonicznych prędkościach to nie takie łatwe – symulacje wskazują że dla pewnych ułożeń silników i ich ciągu, efekt jest przeciwny do oczekiwań – tak, silniki wytwarzają ciąg, ale jednocześnie zdmuchują warstwę skompresowanej atmosfery przed kapsułą zmniejszając hamowanie atmosferyczne bardziej niż wynosi ich ciąg – po ich włączeniu łączne hamowanie jest mniejsze zamiast być większe. Jednak w przypadku Dragona i silników umieszczonych na obrzeżach kapsuły symulacje pokazują że negatywny efekt ich działania na hamowanie aerodynamiczne będzie niewielki i prawie cały ich ciąg będzie można użyć do hamowania.
