Для начала, хотелось бы привести несколько сокращённых цитат из данной статьи Ненси Аткинсон 2007 г, где она приводит слова специалиста лаборатории реактивного движения NASA Роба Мэннинга, который руководил 3 успешными посадками АМС на Марс. (перевод автоматический с минимальной редакцией):
«Оказывается, что большинство людей не знают об этой проблеме, и очень немногие беспокоятся о деталях того, как можно безопасно доставить что-то очень тяжелое на поверхность Марса», — сказал Мэннинг.
Он считает, что многие сразу приходят к выводу, что высадка людей на Марс должна быть легкой. В конце концов, люди успешно приземлились на Луне, и мы можем посадить наши транспортные средства с людьми из космоса на Землю. А так как Марс находится между Землей и Луной по размерам, а также по количеству атмосферы, то середина Марса должна быть легкой. «Существует мнение, что мы должны просто соединить точки между ними», — сказал Мэннинг.
Но на данный момент точки должны соединиться через большую пропасть.
«Мы знаем, в чем заключаются проблемы. Мне нравится обвинять бога войны», — пошутил Мэннинг. «Эта планета не является дружественной или благоприятной для посадки».
Но как насчет подушек безопасности, парашютов или двигателей, которые использовались в предыдущих успешных роботизированных миссиях на Марс, или транспортного средства с подъемным телом, похожего на космический шаттл?
Ни один из них не будет работать ни сам по себе, ни в сочетании, чтобы высадить на Марс полезную нагрузку в одну метрическую тонну и более.
Парашюты можно открыть только на скорости менее 2 Маха, а тяжелый космический корабль на Марсе никогда не будет двигаться так медленно, используя только теплозащитный экран. «И нет парашютов, которые можно было бы использовать, чтобы замедлить этот СА», — сказал Мэннинг. "Вот и все. Вы не можете посадить CEV на Марс
«Не исключено, что мы можем спроектировать более крупные и легкие тепловые экраны, — сказал он, — но проблема в том, что прямо сейчас диаметр теплового экрана для космического корабля, пригодного для человека, подавляет любую возможность запуска этого корабля с Земли»
Далее, Мэннинг анализирует спускаемые аппараты с высоким аэродинамическим качеством типа шаттла.
В конечном итоге вы замедлитесь до скорости менее 2 Маха, чтобы раскрыть парашют, но вы будете слишком близко к земле, и даже сверхбольшой сверхзвуковой парашют вас не спасет».
Эксперты по сверхзвуковым парашютам пришли к выводу, что для достаточного замедления большого транспортного средства типа шаттла на Марсе и достижения земли с разумной скоростью потребуется парашют диаметром сто метров.
«Мы считаем, что невозможно сделать 100-метровый парашют, который можно было бы безопасно раскрыть на сверхзвуковой скорости, не говоря уже о времени, необходимом для надувания чего-то такого большого. Вы бы оказались на земле до того, как она полностью надулась бы. Это не будет хорошим результатом».
Также в статье рассматривается чисто ракетная посадка и тоже отбрасывается.
Но использование современной технологии двигателей в реальной, существующей атмосфере Марса создает аэродинамические проблемы. «Ракетные шлейфы — общеизвестно нестабильные, динамичные, хаотичные системы, — сказал Мэннинг. «В основном летя в шлейф на сверхзвуковых скоростях, шлейф ракеты действует как носовой обтекатель; носовой обтекатель, который движется перед вами с очень высоким динамическим давлением. Несмотря на то, что плотность атмосферы очень низкая, из-за высокой скорости силы действительно огромны».
Поэтому использование только пропульсивной технологии не вариант.
Кроме этого, про надувные гипер(сверх)звуковые замедлители (гиперконусы) в статье тоже упоминается как о перспективном, но пока не готовом варианте.
Итак, что мы можем сказать?
Конечно, кто мы такие, чтобы спорить со столько компетентным человеком. Но относитесь к моим комментариям, по крайней мере, как к проявлениям непонимания, и риторической просьбе пояснений, а не "уверенности в свой правоте". Многое из вышесказанного выглядит бесспорным, хотя некоторые вещи слишком пессимистичными.
1. Давайте начнём с реактивного торможения на сверхзвуке. В 2007 году Falcon 9 ещё не было. Но сегодня, думаю, очевидно, что торможение двигателям на сверхзвуковой скорости возможно. Причём, условия в которых это проверено (число Маха и плотность) весьма близки к потенциальным марсианским. И, явно SpaceX, разрабатывая Starship, считает его способ посадки на Марс (аэродинамическое торможение до сверхзвуковой скорости и далее реактивная посадка) реализуемым. Единственное, он пока не отрабатывал манёвр "переворота" на сверхзвуке, только на дозвуке. Но, учитывая, что отработать его можно (с некоторыми допущениями) в Земной атмосфере, надеемся, что ждать не долго.
2. Даже если принять, что технология ракетного сверхзвукового торможения не существует, я не согласен с тем, что ракетная посадка на Марс невозможна. Формально, она в этом случае просто очень дорога (энергозатратна), но не невозможна.
Для этого, мы должны при помощи двигателей затормозиться над атмосферой так, чтобы оказаться на верхней её условной границе (около 100 км, например) с нулевой скоростью. 3,5 км/с орбитальная скорость + около 0,5 км/с гравитационные потери. Далее, если аппарат продолжит падать на Марс, то его конечная скорость будет около 530 м/с. (Мах 2,2). В принципе, можно предварительно открыть сверхзвуковой парашют при Махе менее 2, для этого достаточно много времени. (хотя другие источники говорят, что ограничение для них по Маху больше 2,5). Но, если уж мы говорим о чисто ракетном варианте, то хорошо, можно спускаться на двигателях держа скорость дозвуковой. Да, это приведёт к огромным гравитационным потерям (работа против силы тяжести), порядка 2 км/с и суммарная необходимая дельта-V приблизится к 6 км/с, что приведёт к весьма неблагоприятной относительной массе полезной нагрузке, особенно при использовании относительно консервативных низкокипящих топлив (хотя, опять же, разрабатываются и технологии использования водорода в дальнем космосе). m_пн=0,1 только для посадки для НДМГ + АТ. А для взлёта ещё m_пн=0,22. Т.е. суммарно m_пн=0,022 для возвращаемой на орбиту спускаемой капсулы относительно массы на низкой орбите Марса.
3. Если рассматривать традиционную схему экран + парашют + ракетная посадка, то, чтобы она работала, необходимо существенно не превышать значения удельных нагрузок на несущие поверхности по сравнению, например, с Персеверансом. Т.е. около 200 кг/кв.м для экрана и 7 кг/кв.м парашюта.
Например, при массе возвращаемой на орбиту капсулы в 2 т (как у Лунного модуля. И что, в принципе, не является прямо минимально оценкой), масса ПН на Марсе должна составлять около 9 т. В этом случае масса СА может быть около 18 т, диаметр щита 11 м, диаметр парашюта 48 м. (при скорости отделения от него порядка 100 м/с, что, вообще говоря, всего лишь М=0,42 и вроде бы не предел для включения тормозных двигателей, и времени его работы порядка 70 с).
Максимальный диаметр испытанных сверхзвуковых парашютов это 15...19,7 м (по разным данным), при этом открываются они за 0,4...1 с. Масштабируется ли время раскрытия пропорционально диаметру? Если да, то из 70 с работы парашюта резерв остаётся. Для испытанных однокупольных дозвуковых парашютов максимальный диаметр 35 м (предлагались по крайней мере до 60 м), а для многокупольных эквивалентный диаметр по крайней мере 60 м (предлагался по крайней мере 100 м). Исходя из этих данных достаточно сложно понять, почему масштабирование парашютной системы невозможно.
4. Ну и, наконец, в чём согласны и приведённая статья и более поздняя презентация НACA, так это в том, что гиперконус - очень заманчивый вариант. Причём, они может работать как только на части сверхзвуковой траектории, так и гасить скорость прямо с орбитальной до дозвуковой. И, кстати, они уже испытывались.