Proč je tak těžké přistát na Marsu

Přistání člověka na Marsu patří ke snům daleké budoucnosti, nezávisle na tom, co se snaží veřejnosti namluvit jistá soukromá společnost. Jak vypadá realita a proč je přistání na naší sousední planetě tak komplikované?

Přistání na Marsu se prozatím podařilo jen u sedmi automatických sond. Všechny ostatní pokusy se nezdařily. Tento fakt ostře kontrastuje s nabubřelým tvrzením pana Muska. Ten chce během pár desetiletí na Marsu navzdory nulovým zkušenostem a navzdory chybějící technice vysadit nespočet osadníků. Přistání na Rudé planetě ale není srovnatelné s ničím, co se už lidem v minulosti podařilo. Je daleko náročnější.

Proč je daleko větší problém přistát na Marsu než na Měsíci?

Dnes už v podstatě není problém, navést k Marsu automatickou sondu. Celkem nedávno se to podařilo dokonce i indickému vesmírnému programu. Sonda Mangalyaan přilétla k naší sousední planetě na podzim 2014. Zaujmout místo na orbitě Rudé planety je jedna věc. Přistát na ní je ovšem daleko těžší než například na Měsíci. Na vině jsou hlavně dvě okolnosti – vysoká vzájemná rychlost sondy a Marsu a řídká marsovská atmosféra.

Vzájemná rychlost sondy a Marsu

Mars a Země obíhají kolem Slunce přibližně v jedné rovině, stejně jako většina ostatních planet. Jejich rychlost oběhu se ale liší – fyzikální zákony udělují Zemi vyšší rychlost, než jakou má Mars. Obě planety se proto nacházejí v optimální pozici (která dovoluje vypuštění sondy s minimálními nároky na palivo a dobu letu) jen zhruba jednou za dva roky.

Obrázek: Typická cesta sondy k Marsu.

Rychlost, kterou sonda cestuje, je jen o něco vyšší než rychlost pohybu Země kolem Slunce.

Dráha sondy bývá zvolena tak, aby křížila dráhu Marsu „zevnitř“ a zaujímala k ní přitom jen malý úhel. Mars musí být v momentě přiblížení sondy rychlejší než ona. Na její dráze ji pak prakticky dohoní a zachytí ji ve svém gravitačním poli.   I navzdory těmto opatřením bývá vzájemná rychlost sondy a planety velice vysoká. Ke vstupu na orbitální dráhu kolem Marsu je potřeba intenzivní brzdný manévr. 

Sestup na povrch Marsu

Sestup na planetu je po prvním přiblížení sondy možný dvěma různými způsoby: přistávací modul může nejprve nějakou dobu setrvat na oběžné dráze a k povrchu planety se vydá až později – nebo se sestup na povrch uskuteční okamžitě.

První metodu využily jen dva první přistávací moduly Viking. Tehdy ještě nebyla dobře prozkoumaná topografie Marsu a sondy nejprve musely najít vhodné místo pro přistání. Všechny pozdější sondy sestupovaly k povrchu Marsu bez prodlení.

Většinou se několik dní před přistáním oddělí přistávací modul od centrálního modulu sondy. Pak vstoupí do atmosféry Marsu, zatímco centrální modul zůstává na orbitě.  Stejný postup byl aplikován také u nedávného nezdařeného přistání modulu Schiaparelli, části sondy ExoMars 2016.

Pro zajímavost chci uvést několik čísel: Schiaparelli vstoupil do vrchní atmosféry rychlostí 5,8 km/s, tedy 21 000 km/h. Během celého brzdícího manévru, který trval jen 6 minut, měl být zpomalen na nulovou rychlost.

Řídká atmosféra – velký problém

Marsovská atmosféra vyžaduje komplikované přistání,  při kterém se využijí hned tři různé přistávací systémy. I na Marsu se musí použít tepelné štíty, podobně jako při vstupu do pozemské atmosféry. Na rozdíl od Země na Marsu samotná atmosféra na zpomalení sondy nestačí. Je totiž velice řídká. První částí přistání je přesto fáze, kdy se velká část pohybové energie sondy přemění třením o molekuly atmosféry na teplo.

Pro srovnání – při pilotovaném přistání na Měsíci starosti s atmosférou odpadly – Měsíc žádnou atmosféru nemá.

Tepelný štít přistávacího modulu musí být tvarovaný tak, aby při průletu atmosférou dráhu sondy stabilizoval a aby nedošlo k nekontrolovatelné rotaci. Nelze tedy použít standardní tepelný štít pro různě velká a různě tvarovaná tělesa

Po dvou nebo třech minutách se rychlost sníží na pouhých 1700 km/h.

Pořád ještě to odpovídá dvojnásobku rychlosti našich dopravních letadel. Na řadu přicházejí brzdící padáky. Jejich otevření se nesmí zpozdit a padáky samy se nesmí poškodit, bez nich by zbytek přistání skončil fiaskem. Ale ani neporušený padák nezaručuje úspěšné přistání. Kvůli velice řídké atmosféře totiž není brzdný efekt moc účinný.

Na řadu přichází další, v pořadí již třetí technologický systém – brzdné motory.  Ty jsou řízené palubním počítačem. K jejich efektivnímu použití je nutná znalost přesné pozice sondy, kterou musí průběžně obstarávat přístroje na její palubě.

Samotné přistání na povrchu pak vyžaduje další systémy. V minulosti bylo experimentováno například s airbagy nebo speciálním jeřábem, který spustil sondu na povrch planety na laně. Airbagy mají samozřejmě jednu nevýhodu – nedá se určit přesná konečná pozice sondy. Tento systém byl poprvé použit v americkém programu Pathfinder. Dnes víme, že po prvním nárazu na povrch planety „odhopkala“ sonda až do vzdálenosti jednoho kilometru od místa prvního kontaktu.

Bez pomoci

Velká vzdálenost od Země nedovoluje při přistání na Marsu žádnou opravdovou komunikaci. Sonda musí všechny úkony zvládnout sama a bez cizí pomoci. Všechny eventuality musí být naprogramované v palubním počítači – a ten nesmí selhat.

Tento bod jen zdánlivě mluví ve prospěch Muskova projektu. Přítomnost živých lidí na palubě přistávajícího modulu umožňuje pružnější reakci na aktuální situaci. Zároveň ale vyžaduje přesné a bezchybné chování posádky. Není potřeba dodávat, že pilot, který takový manévr řídí, musí být dostatečně zkušený. Zkušenosti ale může nabývat jen na pozemských počítačových simulátorech, které jsou … programované lidmi. Reakce pilota se tedy řídí představami programátora. Výskyt chyb a nesprávných rozhodnutí během přistávacího manévru je v případě Marsu daleko pravděpodobnější, než tomu bylo při přistání na Měsíci.

Přistání na Marsu je omezeno topologií planety

Pro přistání na povrchu Marsu platí ještě i další omezení. Sonda musí do atmosféry vstoupit pod určitým úhlem. Na vině je opět atmosféra planety. Příliš kolmý sestup by způsobil extrémní mechanickou a teplotní zátěž, příliš plochý sestup by mohl sondu naopak od atmosféry odmrštit tak, jako skáče plochý kámen na povrchu vodní hladiny, když je hozen správnou rychlostí a pod správným úhlem.

Místo, kam by měla sonda přistát se navíc může ukázat jako nevhodné při lokálních bouřích nebo turbulencích.

Ne všechna místa na povrchu Marsu se hodí pro přistání. Důvodem je nízká hustota atmosféry. Aby se vůbec mohly projevit brzdící vlastnosti atmosféry, musí se jednat o oblast, která leží relativně hluboko. Rozdíly v nadmořské výšce jsou totiž na Marsu daleko vyšší než na Zemi – přes 20 km. Pohoří a zvrásněné náhorní planiny se pro přistání nehodí. Všechny sondy mířily vždy do marsovských nížin na severní polokouli, případně do okolí marsovského rovníku.

Přistání na Marsu je velice komplikovaná záležitost. Odborníci nazývají oněch pár minut při přistání „minutami strachu“. Přistání lidí a velkých kosmických korábů na Rudé planetě leží ve velice vzdálené budoucnosti – bez ohledu na to, co tvrdí privátní firmy, halící se do bezmezného optimismu.