Büyük yükleri Kızıl Gezegene nasıl indireceğiz?

2007 yılında Jet Propulsion Laboratuvarı’nın olağanüstü mühendisi Rob Manning ile konuştum ve bana şok edici bir şey söyledi. Her ne kadar üç Mars gezici görevi için giriş, iniş ve iniş (EDL) ekiplerini başarıyla yönetmiş olsa da, Kızıl Gezegene insanlı bir görev çıkarma ihtimalinin imkansız olabileceğini söyledi.

Ancak şimdi, neredeyse 20 yıllık çalışma ve araştırmaların yanı sıra daha başarılı Mars gezgini inişlerinden sonra Manning, görünümün büyük ölçüde iyileştiğini söylüyor.

Manning, birkaç hafta önce 2024’te sohbet ettiğimizde bana “2007’den bu yana büyük ilerleme kaydettik” dedi. “Nasıl geliştiği ilginç, ancak 2007’de karşılaştığımız temel zorluklar ortadan kalkmadı, sadece şekil değiştirdi “

Sorunlar, Mars’ın Dünya’nınkinden 100 kat daha ince olan ultra ince atmosferi ile insanlı görevler için ihtiyaç duyulan, muhtemelen 20 ila 100 metrik ton arasındaki ultra büyük uzay aracının birleşiminden kaynaklanıyor.

Manning 2007’de şöyle demişti: “Pek çok kişi, Mars’a insan göndermenin kolay olması gerektiği sonucuna varıyor,” demişti Manning, “çünkü Ay’a başarılı bir şekilde indik ve rutin olarak insan taşıyan araçları uzaydan Dünya’ya indirdik. Ve Mars, Dünya’nın arasına düştüğü için” dedi. Dünya ve Ay’ın büyüklüğü ve atmosfer miktarı bakımından Mars’ın ortası kolay olmalı.”

Ancak Mars’ın atmosferi Dünya’da ya da Ay’da bulunmayan zorluklar sunuyor. Mars’ın ince, uçucu atmosferinde hızla ilerleyen büyük, ağır bir uzay aracının, gelen gezegenler arası hızlardan yavaşlaması için yalnızca birkaç dakikası vardır (örneğin, Perseverance gezgini saatte 19.100 mil hızla gidiyordu). [19,500 kph] Mars’a ulaştığında) Mach 1’in altına inecek ve ardından yavaşça iniş yapabilmek için hızla bir iniş aracına geçecektir.

2007’de EDL mühendisleri arasında hakim olan düşünce, bizim Dünya’ya yaptığımız gibi iniş yapmak için çok az atmosferin olduğu, ancak aslında Mars’ta bizim sadece itici teknolojiyi kullanarak aya yaptığımız gibi ağır araçları indirmek için çok fazla atmosfer olduğu yönündeydi.

Manning yine 2007’de şöyle demişti: “Biz buna Süpersonik Geçiş Problemi diyoruz.” “Mars’a özgü, Mach 5’in altında bir hız-irtifa farkı var. Bu boşluk, Mars’taki büyük giriş sistemlerinin teslimat kapasitesi ile Ses hızının altına inmek için süper ve ses altı yavaşlatıcı teknolojileri.”

Şu ana kadar Mars’a inen en büyük yük, yaklaşık 1 metrik tonluk bir kütleye sahip olan Perseverance gezginidir. Perseverance ve öncülü Curiosity’nin başarılı bir şekilde indirilmesi, Sky Crane gibi karmaşık, Rube Goldberg benzeri bir dizi manevra ve cihaz gerektirdi. Daha büyük, insan derecelendirmeli araçlar daha da hızlı ve daha ağır gelecek ve bu da onları yavaşlatmayı inanılmaz derecede zorlaştıracak.

Manning, 2024’te JPL’de baş mühendis olarak “Peki, geleneksel olarak motorlarımızı nasıl ateşleyeceğimizi bildiğimiz hızlara ulaşmak için ses altı hızlara nasıl yavaşlarız?” dedi. Daha büyük paraşütler veya sesten hızlı yavaşlatıcılar düşündük. NASA tarafından test edilen LOFTID (Şişirilebilir Yavaşlatıcının Alçak Dünya Yörünge Uçuş Testi) gibi) belki daha iyi yavaşlamamıza izin verebilirdi, ancak bu iki cihazda da hala sorunlar vardı.”

Manning, “Fakat hakkında hiçbir şey bilmediğimiz bir numara vardı” diye devam etti. “Hızınızı düşürmek için süpersonik hızlarda uçarken, tahrik sisteminizi kullanıp motorları geriye doğru ateşlemeye (retro tahrik) ne dersiniz? 2007’de bunun cevabını bilmiyorduk. Bunun mümkün olduğunu bile düşünmüyorduk. “

Neden? Ne yanlış gidebilir?

Manning şöyle açıkladı: “Atmosferde hareket ederken motorları geriye doğru ateşlediğinizde, bir şok cephesi oluşur ve bu ön kısım hareket eder,” diye açıkladı Manning, “böylece ortaya çıkıp araca çarpabilir ve aracın dengesizleşmesine veya hasara neden olabilir.” Ayrıca roket motorunun egzoz dumanının içine doğru uçuyorsunuz, dolayısıyla araçta ekstra sürtünme ve ısınma olasılıkları olabilir.”

Tüm bunları modellemek çok zor ve bunu yaparken neredeyse hiçbir deneyim yoktu, çünkü 2007’de hiç kimse bir uzay aracını yavaşlatmak ve ardından Dünya’ya geri indirmek için itici teknolojiyi tek başına kullanmamıştı. Bunun nedeni çoğunlukla gezegenimizin güzel, lüks ve kalın atmosferinin, özellikle paraşütle veya uzay mekiği gibi yaratıcı uçuşlarla bir uzay aracını kolayca yavaşlatmasıdır.

Manning, “İnsanlar bunu biraz inceledi ve biz de bunu denemenin ve motorları tersten ateşleyip ne olacağını görmenin harika olacağı sonucuna vardık” diye düşündü ve ortalıkta fazladan herhangi bir fon bulunmadığını ekledi. Ne olduğunu görmek için tekrar aşağı inmesini izlemek için bir roket fırlatmak.

Ancak daha sonra SpaceX, Falcon 9’un ilk aşama güçlendiricisini yeniden kullanmak üzere Dünya’ya geri indirmek amacıyla testler yapmaya başladı.

Manning, “SpaceX bunu deneyeceklerini söyledi” dedi. “Ve bunu yapmak için, Dünya’nın üst atmosferindeyken süpersonik aşamada hızlandırıcıyı yavaşlatmaları gerekiyordu. Yani, uçuşun bir bölümünde motorlarını geriye doğru ateşliyorlar. inceltilmiş bir atmosferde süpersonik hızlarda, ki bu da Mars’takine çok benziyor.”

Tahmin edebileceğiniz gibi bu, gelecekteki Mars misyonları hakkında düşünen EDL mühendisleri için inanılmaz derecede ilgi çekiciydi.

Birkaç yıl süren deneme, yanılma ve başarısızlıklardan sonra, 29 Eylül 2013’te SpaceX, Falcon 9 roketinin ilk aşamasının yeniden girişini yavaşlatmak için ilk süpersonik retropropulsiyon (SRP) manevrasını gerçekleştirdi. Sonunda okyanusa çarpıp yok olmasına rağmen, SRP aslında iticiyi yavaşlatmaya çalıştı.

NASA, EDL mühendislerine SpaceX’in verilerini izleyip inceleyemeyeceklerini sordu ve SpaceX de hemen kabul etti. 2014’ten başlayarak NASA ve SpaceX, NASA İtişli İniş Teknolojisi (PDT) projesi adı verilen, SRP veri analizine odaklanan üç yıllık bir kamu-özel ortaklığı kurdu. F9 iticileri, özellikle Mars’ta beklenen Mach sayıları ve dinamik basınç aralığına giren giriş yanığı bölümleri hakkında veri toplamak için özel aletlerle donatıldı. Ek olarak görsel ve kızılötesi görüntüleme kampanyaları, uçuşun yeniden yapılandırılması ve akışkanlar dinamiği analizi de vardı; bunların hepsi hem NASA’ya hem de SpaceX’e yardımcı oldu.

Herkesi şaşırtacak ve sevindirecek şekilde işe yaradı. 21 Aralık 2015’te, bir F9 ilk aşaması geri döndü ve ilk yörünge sınıfı roket inişi olan Cape Canaveral’daki İniş Bölgesi 1’e başarıyla indi. Bu, Mars’ta SRP kullanma teknolojisini test eden ve bilgiyi geliştiren SRP’nin oyunun kurallarını değiştiren bir gösterimiydi.

Bir EDL ekibi, PDT projesinin sonuçlarını bir makalede detaylandırarak, “Tamamlanan analizlere dayanarak, geri kalan SRP mücadelesi, teknoloji ilerlemesine değil, belirli Mars uçuş sistemlerinin olgunlaşmasına bağlı olan ihtiyatlı uçuş sistemleri mühendisliğinden biri olarak nitelendiriliyor” diye yazdı. Kısacası, SpaceX’in başarısı, Mars’a büyük yükleri indirmek için herhangi bir yeni teknoloji gerektirmeyeceği veya fizik yasalarını çiğnemeyeceği anlamına geliyordu.

Manning, “Görünüşe göre bazı yeni fizikler öğrendik” dedi. Motorların ateşlenmesiyle aracın çevresinde oluşturulan şok ön ‘balonunun’ uzay aracını bir şekilde ısınmanın yanı sıra her türlü sarsıntıdan yalıttığını buldular.

EDL mühendisleri artık SRP’nin, atmosferik uçuş sırasında güvenli inişleri mümkün kılmak için yeterli hızı düşürmek üzere geniş bir yelpazedeki ve büyüklükteki görevlerde özünde ölçeklenebilir olan tek Mars giriş, alçalma ve iniş teknolojisi olduğuna inanıyor. Aerofrenlemenin yanı sıra bu, ağır ekipmanların, yaşam alanlarının ve hatta insanların Mars’a indirilmesinin önde gelen yollarından biridir.

Ancak yine de Mars’a insanlı bir görevin indirilmesi söz konusu olduğunda pek çok sorun çözülmeden kalıyor. Manning, SpaceX’in Starship’i gibi büyük bir geminin Mars’ın atmosferinde nasıl yönlendirileceği ve uçacağı da dahil olmak üzere pek çok bilinmeyenin bulunduğunu belirtti; Yüzgeçler hipersonik olarak kullanılabilir mi yoksa plazma termal ortamı onları eritecek mi? İnsan boyutundaki bir gemideki büyük motorların havaya kaldırdığı enkaz miktarı, özellikle yörüngeye veya Dünya’ya dönmek için yeniden kullanmak isteyeceğiniz motorlar için ölümcül olabilir; peki motorları ve gemiyi nasıl korursunuz?

Mars oldukça rüzgarlı olabilir, peki iniş sırasında rüzgarın kesilmesi veya toz fırtınasıyla karşılaşırsanız ne olur? Mars’ın kayalık yüzeyindeki büyük bir gemi için ne tür iniş ayakları işe yarar? Peki tüm altyapı nasıl kurulacak gibi lojistik sorunlar var. Gemilere eve dönmek için yakıt ikmali nasıl yapılacak?

Manning, “Bunların hepsi çok zaman alacak, insanların düşündüğünden daha fazla zaman alacak” dedi. “Mars’a gitmenin dezavantajlarından biri, çok sabırlı olmadığınız sürece deneme yanılma yapmanın zor olmasıdır. Bir dahaki sefere tekrar deneyebileceğiniz zaman, iki gezegenimiz arasındaki fırlatma pencerelerinin zamanlaması nedeniyle 26 ay sonradır. Kutsal kovalar, ne kadar acı olacak ama sanırım bunu ilk kez deneyebildiğimizde çok şey öğreneceğiz.”

Ve en azından süpersonik geri itiş sorusu yanıtlandı.

“Temel olarak Buck Rogers’ın 1930’larda yapmamızı söylediği şeyi yapıyoruz: Gerçekten hızlı giderken motorlarınızı geriye doğru ateşleyin.”