چالش‌های فرود روی سیاره سرخ

 به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا، دورنمای سفر به مریخ که ده‌ها سال موضوع کتاب‌ها و فیلم‌های علمی‌تخیلی بود، در نیم قرن گذشته به لطف تخیل، تخصص و پشتکار انسان به واقعیت تبدیل شده است.

به طور کلی سفر به یک جرم نجومی دیگر یک چالش بزرگ است. در این میان سفر به مریخ نیاز به فناوری پیشرفته و برنامه‌ریزی دقیق دارد. مریخ به خاطر مناظر زیبا و رازهایش جذاب است. انتظار می‌رود که داده‌های جدید در مورد تاریخ سیاره به ما کمک کند تا با آمادگی بیشتری با مأموریت‌هایی از این دست روبه‌رو شویم. شناخت مریخ می‌تواند درک ما را از جهان را تغییر دهد و افراد بسیاری امیدوارند که روزی بشر بتواند بر روی مریخ زندگی کند.

ناسا با ماموریت‌های متعددی که به سلامت روی سیاره سرخ فرود آمده‌اند، پیشتاز فتح مریخ بوده است. در برخی از ماموریت‌ها، مریخ نوردهایی برای حرکت در سطح مریخ اعزام شدند، و برخی به عنوان کاوشگرهای سطح‌نشین و ثابت بودند. هر کدام از این ماموریت‌ها، داده‌ها و تصاویری از یک محل فرود خاص جمع‌آوری می‌کنند. همه این ماموریت‌ها در یک چیز مشترکند: ماموریت‌های مریخ به برنامه‌ریزی و کار تخصصی فشرده نیاز دارد تا فرود ایمن و موفقیت‌آمیز در این سیاره به حداکثر برسد.

برای موفقیت در فرود، مجموعه‌ای از کارها باید دقیقاً طبق برنامه پیش بروند. این فرآیند پرتنش که به عنوان ورود، فرود و نشستن در سطح شناخته می‌شود، به “هفت دقیقه وحشت” معروف است.

انتخاب نحوه و مکان فرود

راب منینگ، یکی از مهندسین آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا می‌گوید: هر مأموریت کاوشگر یا مریخ‌نورد از رهیاب در سال 1997 تا کنون، با چالش‌های جدید طراحی سیستم فرود مواجه است که قبلاً با آن روبرو نشده بود. تیم وایکینگ قبل از ارسال فضاپیما به مریخ حداقل اطلاعات مربوط به مکان فرود را داشت. پس از موفقیت آن‌ها، چالش بعدی کاهش هزینه‌ها بود که باعث ایجاد ایده استفاده از کیسه‌های هوا برای رهیاب شد و این موفقیت در ادامه منجر به انجام ماموریت روح و فرصت شد. بعد از فرود موفق مریخ نوردهای روح و فرصت، برای مریخ‌نوردهای کنجکاوی و استقامت، جرثقیل آسمانی طراحی شد، و سپس تکنیک‌های ناوبری جدیدی اختراع شد که به مهندسان امکان می‌داد کاوشگر را در مکان‌هایی که قبلاً بسیار خطرناک تلقی می‌شد، فرود آورند.

هنگام انتخاب محل فرود و پیش از پرتاب، فرآیند دقیقی برای شناسایی مکانی با سطحی امن برای فرود، اما با ویژگی‌های مناسب برای دستیابی به اهداف ماموریت، طی می‌شود.

سطح‌نشین‌های ثابت – وایکینگ 1 و وایکینگ 2

وایکینگ‌های دوقلو اولین فضاپیماهای آمریکایی بودند که به طور ایمن روی مریخ فرود آمدند. هر کدام به طور جداگانه توسط فضاپیما به سیاره سرخ منتقل شدند. در زمان شروع فرآیند فرود، فضاپیما کاوشگر حامل خود را آزاد کرد. وایکینگ 1 در کرایس پلانیتیا و وایکینگ 2 در اتوپیا پلانیتیا در شمال استوای مریخ فرود آمدند. کارل ساگان، ستاره‌شناس مشهور، در انتخاب مکان‌های فرود نقش داشت. وایکینگ 1 در 20 ژوئیه 1976 و وایکینگ 2 در 3 سپتامبر 1976 در مریخ فرود آمدند. 

هر فرودگر شامل یک پایه آلومینیومی شش وجهی بود که بر روی سه پایه‌ای که به اضلاع کوتاهتر متصل بودند، پشتیبانی می شد. بالشتک‌های پا، رئوس مثلثی را تشکیل می‌دادند که اضلاع بلند پایه یک خط مستقیم را با دو بالشتک مجاور تشکیل می‌دادند. هنگامی که هر فضاپیما به طور ایمن در مدار مریخ قرار می‌گرفت کاوشگر را رها می‌کرد؛ باز شدن سپرحرارتی به طولانی‌تر شدن خط زمانی ورود، فرود و نشستن روی مریخ کمک کرد. برای کاهش سرعت فرود، وایکینگ‌ها از همان چتر نجات‌هایی استفاده کردند که هنوز در ماموریت‌های مریخ استفاده می‌شود. موتورهای موشک با سوخت مایع و قابل تنظیم برای فرود نهایی مورد استفاده قرار گرفتند، در حالی که رادارهای داپلر سرعت را در فرآیند فرود کنترل می‌کردند.

فرود موفقیت‌آمیز وایکینگ‌ها میراثی را ایجاد کرد که برای فرودگرهای آینده سازگار شده بود. در حالی که به نظر می‌رسد سطح‌نشین فینیکس و مریخ‌نورد اینسایت به میراث وایکینگ‌ها نزدیک هستند، همه فرودگرهای بعدی ناسا به شدت تحت تأثیر طراحی وایکینگ قرار گرفته‌اند، از ورود با سپرهای حرارتی، تا فرود با چتر نجات، رادارها و نشستن در سطح مریخ.

کاوشگر فینیکس

فرودگر فینیکس، که برای جستجوی شواهدی از حیات میکروبی در گذشته یا حال طراحی شده بود با استفاده از فناوری های  به ارث رسیده از فضاپیمای وایکینگ که ارتقا یافته بودند، ، در 25 مه 2008 در قطب شمال مریخ فرود آمد. این کاوشگر نخستین فرودگر بعد از وایکینک‌ها بود که توانست به طور نرم در مریخ فرود آید.

فونیکس دارای 12 رانشگر پالسی بود که در لبه پایینی آن نصب شده بود، این رانشگرها مانند ترمز عمل کرده، در 30 ثانیه آخر قبل از تماس پایه‌ها با سطح مریخ، فرود را آهسته‌ و نرم کردند.

کاوشگر اینسایت

کاوشگراینسایت ، که در 26 نوامبر 2018 به طور ایمن روی مریخ فرود آمد، از مأموریت‌های گذشته ناسا به مریخ، به ویژه کاوشگر فینیکس، الهام گرفته بود. اما سیستم ورود، فرود و نشستن در این ماموریت اصلاح شد.

سامانه اینسایت از یک سپر حرارتی ضخیم‌تر استفاده می‌کرد، چرا که کاوشگر در فصل پاییز که طوفان‌های شدید گرد و غبار در مریخ می‌وزد فرود آمد. همچنین برای چتر نجات از مواد قوی‌تری استفاده شد.

فرود در مریخ با مریخ نوردها/ رهیاب مریخ

4  ژوئیه 1997 فضاپیمای رهیاب مریخ  روی سیاره سرخ فرود آمد که شامل یک سطح‌نشین سبک‌وزن  و اولین ربات مریخ‌نورد به نام Sojourner بود. اینترنت که هنوز در ابتدای راه خود بود، فرصتی برای مردم سراسر جهان فراهم کرد تا تصاویر جدید از مریخ را با پخش زنده مرکز کنترل ماموریت در آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا تماشا کنند.

برای فرود ایمن این ماموریت گرانبها، رهیاب از یک سیستم فرود کاملاً جدیدی استفاده کرد که بسیار متفاوت از ماموریت‌های پیشین در بیش از 20 سال قبل در پروژه‌های وایکینگ 1و2بود. هنگامی که رهیاب وارد جو خشن مریخ شد، یک چتر نجات و سپس راکت‌ها سرعت فرود را کاهش دادند. رهیاب اولین فرودگری بود که از مجموعه‌ای از کیسه‌های هوا و بالشتک‌ها برای فرود استفاده می‌کرد. این وسیله، پس از ورود به جو مریخ، زنجیره‌ای از عملیات پیچیده و زمان‌بندی شده دقیقی را در 4 دقیقه و سی ثانیه به پایان برد و در نهایت بدون هیچ‌گونه آسیبی بر سطح آبگیری خشک و قدیمی به نام آرس والیس در نیم کره‌شمالی مریخ، فرود آمد. سطح نشین 264 کیلوگرمی، پس از فرود باز شد و سطح پیمای رباتی سوجرنر را روی سطح سیاره آزاد کرد.

سطح‌نوردهای اکتشافی مریخ: روح و فرصت

با الهام از موفقیت رهیاب و سوجونر، ناسا کاوشگرهای دوقلوی روح  و فرصت را توسعه داد تا در تاریخ‌های مختلف در طرفین مقابل در مریخ فرود آیند. روح در 3 ژانویه 2004 در دهانه برخوردی گوسف و فرصت در 24 ژانویه 2004  درفلاته نیم‌روزدر جنوب خط استوای مریخ فرود آمد. پروتکل ورود، فرود و نشست این  مریخ‌نوردهای دوقلو تقریباً مشابه  ماموریت پتفایندر بود. این دو کاوشگر با یک فرودگر و به کمک چتر نجات، فرود موفقی تجربه کردند. با برخورد فضاپیمای حامل مریخ نورد با جو مریخ چتر نجات باز شده، در آخرین مرحله از فرود نه چندان آرام این مریخ نورد، کیسه های هوا، همچون خوشه انگوری آن را در برگرفتند و پس از چندین بار برخورد با خاک مریخ آرام گرفت.

آزمایشگاه علمی مریخ: کنجکاوی

نسل بعدی مریخ نوردها – آزمایشگاه علمی مریخ: کنجکاوی و مریخ 2020: پشتکار – از فناوری‌های فعلی و تکنولوژی‌های  جدید در ورود، فرود و نشستن در سطح استفاده کردند. در هر دو ماموریت استفاده از کیسه هوا حذف و از ابزاری مبتکرانه و جسورانه به نام جرثقیل آسمانی استفاده کردند.

با توجه به اندازه بسیار بزرگ و وزن بالای این مریخ نوردها، فرود فقط به کمک کیسه هوا به سادگی نبود. به همین ترتیب، پیچیدگی خارج کردن یک مریخ‌نورد عظیم از یک فرودگر با پایه‌های بزرگ، انتخاب را بسیار دشوار می‌کرد. بنابراین مهندسان بهترین ویژگی‌های یک فرودگر با کنترل پیشرانه، مانند وایکینگ، و جداسازی مریخ نورد از پیشرانه فرود را که توسط  رهیاب، روح و فرصت استفاده می‌شد را ترکیب کردند. در نتیجه کنجکاوی و پشتکار از مانور جرثقیل آسمانی استفاده کردند. یک مرحله فرود جدید، مجزا به همراه پیشرانه که در بالای مریخ‌نورد قرار داده شد تا به هدایت وسیله نقلیه در هنگام ورود کمک کند. همچنین این وسیله به عنوان یک سامانه تحویل محموله عمل کرده و مریخ‌نورد را مستقیماً و به نرمی روی چرخ‌هایش به سطح منتقل می‌کند. این روش بسیار شبیه به روشی است که هلیکوپترها برای انتقال محموله‌های سنگین در زمین انجام می دهند.

5 آگوست 2012، جرثقیل آسمانی در طی فرایند فرود، کنجکاوی را با سه کابل به سطح مریخ منتقل کرد. پیش از فرود موفقیت‌آمیز این کاوشگر، نگرانی‌های زیادی در این باره وجود داشت، به گونه‌ای که به مرحله فرود آن هفت دقیقه وحشت نام داده بودند. کنجکاوی در گودال گیل در کانون تپه‌ای عظیم فرود آمد. دلیل انتخاب این گودال برای فرود کاوشگر وجود رسوباتی در آن است که بر اثر وجود آب زیاد شکل گرفته است. آنچه به کنجکاوی اجازه می‌دهد تا شواهدی از وجود نخستین ذرات اساسی در حیات میکروبی را بیابد.
مریخ 2020: پشتکار و نبوغ
مریخ 2020، برنامهٔ در حال اجرا و بخشی از برنامه اکتشاف مریخ ناسا است. این برنامه که مریخ‌نورد پشتکار و بالگرد مریخی نبوغ را شامل می‌شود. 
برای مریخ نورد 2020  که در 18 فوریه 2021 دردهانه جزرو فرود آمد، مهندسان تصمیم گرفتند از سیستم جرثقیل آسمانی استفاده کنند که سطح‌نورد کنجکاوی را در سال 2012 با موفقیت در مریخ فرود آورده بود.

یک عامل دیگر نیز در این مورد نقش داشته است: محل فرود دهانه جزرو که چالش برانگیزترین سطح مریخ بود که تاکنون مورد هدف قرار گرفته است؛ با دلتای رودخانه‌ای باستانی، صخره‌های شیبدار، تپه‌های شنی، زمین‌های سنگی و دهانه‌های برخوردی کوچکتر. فرود آمدن در چنین مکان خشنی به دقت بیشتر و راهی برای اطمینان از فرود ایمن نیاز داشت؛ با پاداش کاوش در منطقه‌ای که دانشمندان معتقدند ممکن است برای زندگی باستانی مناسب بوده باشد.به این دلایل دو فناوری ورود، فرود و نشست جدید مورد نیاز بود.
این مأموریت از نوآوری های مربوط به اصول فنی استفاده می کند که قبلاً موفقیت خود را ثابت کرده است، به ویژه برای ورود، کاهش ارتفاع و فرود. درست مانند چیزی که برای کاوشگر کنجکاوی ناسا ( سفینه ی فضایی مریخ 2020 از سیستم ورود و فرود هدایت شونده استفاده می کند) استفاده شد، سیستم فرود در مأموریت 2020 مریخ شامل چتر نجات، وسیله‌ی پایین آمدن و رویکردی به نام «مانور جرثقیل آسمانی» است.

این نوع سیستم، فرود را دقیق تر می‌کند. این کاوشگر نسبت به کاوشگر کنجکاوی، با دقت بیشتری در منطقه دلخواه فرود آمد.

این مریخ‌نورد روز گذشته با کمک دو فناوری جدید به هدف خود رسید؛ فناوری‌ فرودی که مریخ‌نورد کنجکاوی در اختیار نداشت. یکی از آنها با نام range trigger به این مریخ‌نورد اجازه داد چترش را درست در زمان مناسب باز کند و دیگری به نام terrain-relative navigation به آن اجازه داد دهانه جزرو را بررسی کند و در برابر خطرات احتمالی هنگام فرود آماده باشد.
این مریخ‌نورد پس از فرود بلافاصله دو عکس از سطح مریخ به زمین فرستاد.