Mars klade odpor: Přistát s těžkým nákladem pilotované mise bude problém

Přistát na Marsu je problém. Může za to především atmosféra planety, která je pro nás vysloveně nepřátelská. Nejde o to, že by snad obsahovala nějaké jedovaté nebo agresivní látky, ale o její strukturu. Je totiž velmi řídká a její průměrný tlak odpovídá tomu pozemskému ve výšce 35 km. Nicméně v důsledku nižší přitažlivosti Marsu (asi 0,37 pozemské hodnoty) klesá tlak pomaleji, takže ve výšce 90 km nad povrchem rudé planety je atmosféra oproti té naší dokonce hustší!

Zmíněná skutečnost však přináší obrovské problémy ve chvíli, kdy chceme na Marsu přistát. Ostatně nabízí se srovnání s dalšími kosmickými tělesy: Měsíc atmosféru nemá, takže lze na jeho povrch dosednout celkem bez komplikací pouze s raketovým motorem. Na Venuši s nesmírně hustou atmosférou nepotřebuje přistávací modul dokonce ani padák, pohybuje se tam téměř jako ve vodě. Podobné je to na Saturnově měsíci Titan, kde stačí malý padák k několikahodinovému sestupu. A nakonec i na Zemi lze přistát jen díky brzdění o atmosféru, jak víme z historie raketoplánů.

Řídké překvapení

Atmosféra Marsu je příliš řídká na to, abychom se o ni pořádně opřeli (například robot Curiosity by pro hladké přistání potřeboval padák o ploše několika hektarů), ale zároveň příliš hustá, než abychom ji mohli ignorovat. A z toho plyne jedna zásadní nepříjemnost: nelze zvolit jediný způsob snižování rychlosti na cestě k povrchu tělesa – musíme vsadit na jejich kombinaci. Čím více systémů musí na sondě pracovat, tím vyšší je pochopitelně pravděpodobnost selhání. Stejně tak se nevyhneme náročnějšímu testování a přípravám na start. Dostat se na Mars prostě není a zřejmě nikdy nebude jednoduché.

První pozorování rudé planety přitom naznačovala, že by to s její atmosférou nemuselo být tak zlé. Vědci se domnívali, že její hustota odpovídá asi 8 % hustoty plynného obalu Země. S větším padákem a odolnějším podvozkem by tedy neměl být problém povrchu tělesa dosáhnout. V červenci 1965 však prolétala za Marsem (při pohledu ze Země) americká sonda Mariner 4 a ze změn vysílaného rádiového signálu se poprvé podařilo kýženou hodnotu vypočítat přesně. Odborníci utrpěli šok, protože se ukázalo, že se nejedná o předpokládaných 8 % hustoty atmosféry Země, ale jen o 1 %. Prakticky všechny plány na výsadkové moduly či pilotovanou výpravu tak byly smeteny ze stolu a konstruktéři měli zase nad čím přemýšlet.

Jak porazit Mars?

Typicky se k dosažení povrchu rudé planety začal používat tepelný štít, který dokáže snížit rychlost sondy z několika kilometrů na několik set metrů za sekundu. I s brzdicím padákem však zařízení stále klesalo rychlostí zhruba 100 m/s. Proto bylo nezbytné zažehnout raketové motory, které zajistily hladké dosednutí v řádu jednotek metrů za sekundu. Takto přistály sondy Viking, Phoenix nebo Curiosity.

Mars Pathfinder či rovery Spirit a Opportunity nevyužívaly v závěrečné fázi sestupu brzdicí motory, ale dosedaly do svazku 24 nafukovacích vaků – airbagů, které zvládla čtveřice plynových generátorů rozvinout do požadovaného tvaru za 1,5 sekundy. Dalších 20 sekund (zatímco automaty „poskakovaly“ po povrchu) fungovaly generátory na nižší výkon, aby doplňovaly úbytek pracovního plynu, jenž unikal jednak skrz různé netěsnosti nebo třeba přes otvory proražené v některém z vaků při kontaktu s povrchem planety. 

Všechny uvedené způsoby přistání však mají jednu podstatnou nevýhodu: umožňují dopravit na povrch rudé planety jen stovky kilogramů nákladu, maximálně – a značně nešetrně – jednotky tun. Konstruktéři dokonce hovoří o tom, že v případě Curiosity jsme se velmi přiblížili našim technickým možnostem. Jenže pro budoucí průzkumné mise, či dokonce pilotovanou výpravu bude nutné dostat na Mars zařízení o hmotnosti desítek tun. Otázka zní, jak toho docílit.

Nafukovací a brzdicí

V 70. letech minulého století zmíněný problém řešili – a alespoň teoreticky vyřešili – technici v Sovětském svazu. Pracovali na projektu dopravy vzorků hornin z Marsu na Zemi, přičemž potřebovali transportovat na povrch rudé planety zařízení o hmotnosti více než 10 t. Superraketa N-1 však mohla pod svůj aerodynamický kryt vzít tepelný štít pouze o průměru 6,5 m, což bylo zoufale málo. Štít měl mít proto na okrajích třicet výklopných ploch, přičemž po rozevření by se jeho průměr zvětšil až na 11 m. Mohl tak sondu účinně zpomalovat při průletu atmosférou a snížit její rychlost pod 200 m/s. Bylo tudíž možné vynechat brzdicí padák a rovnou sáhnout po raketových motorech.

Projekt se nikdy nerealizoval, ale myšlenka rozkládacího tepelného štítu přetrvala. Letos v červnu vyzkoušela NASA zařízení nazvané LDSD (Low-Density Supersonic Decelerator), které média okamžitě překřtila na „létající talíř“. Do výšky zhruba 40 km jej vynesl balon plněný heliem a dalších téměř 20 km mu přidal raketový motor Star 48 na tuhá paliva (ve větší výšce se mělo dosáhnout obdobných podmínek jako nad povrchem Marsu). Na konci manévru dosáhlo LDSD rychlosti odpovídající čtyřnásobku rychlosti zvuku, přičemž po poklesu na 3,8násobek se bleskově rozvinul nafukovací okraj a průměr tělesa vzrostl ze 4,6 m na 5,9 m. Následně se jeho rychlost dále snížila a na řadu přišel padák o průměru přes 30 m. Nerozvinul se sice úplně, přesto LDSD nakonec hladce přistálo do vln Pacifiku.

Inženýři z NASA doufají, že zmíněná metoda umožní dopravit na Mars sondy o hmotnosti 15–20 t, což by v případě některých scénářů pilotované mise stačilo. Každopádně už nyní se vyrábějí další dva prototypy LDSD, jež by mohly vzlétnout v létě 2015. Podle výsledků testu se pak americká kosmická agentura rozhodne, zda je nakonec na Mars pošle.

Tento článek pochází z nového speciálu Tajemství vesmíru s tématem Dobývání Marsu. Na 100 stranách najdete vše od historie pozorování a průzkumu Marsu, přes současnost až po budoucí plány a výzvy.