Studencki lądownik bliżej Marsa

- Projekt powstał w ramach działalności Koła Naukowego Pojazdów Niekonwencjonalnych OFF-ROAD na Politechnice Wrocławskiej, znanego z wielokrotnie nagradzanych na międzynarodowych zawodach łazików marsjańskich Scorpio. W tym roku zmierzyliśmy się z trudniejszym wyzwaniem, które od wielu lat nurtuje wszystkie agencje kosmiczne i blokuje możliwość zasiedlenia nie tylko Marsa, ale i innych pobliskich planet. - mówi Justyna Pelc, lider Projektu Eagle

Zdj. Zespół realizujący projekt lądownika marsjańskiego

Houston, mamy (10 tonowy) problem!

Największym problemem związanym z kolonizacją Marsa jest znalezienie sposobu na wysłanie tam całego niezbędnego do przeżycia wyposażenia. Dlatego przed studentami postawiono zadanie zaprojektowania lądownika, który umożliwi dostarczenie na Czerwona Planetę minimum 10 ton ładunku. Jednocześnie, konstrukcja musiała być możliwa do zbudowania i wysłania na Marsa do 2026 roku.

Zadanie nie jest łatwe. Dotychczas największym ładunkiem, jaki ludzkość dostarczyła na Marsa, był ważący około 1 tonę łazik Curiosity. Dlaczego to taki problem?

- Pierwszym problemem jest atmosfera Marsa. Ma dużo mniejszą gęstość niż ziemską, więc powszechnie stosowanych na Ziemi metod takie, jak np. spadochron, nie sprawdzą się. Innym problemem jest fakt, iż obecne rakiety (oraz rakiety, które do 2026 r. mają powstać) znacznie ograniczają wymiary i wagę lądownika. Dodatkową trudnością sprawia też ewentualny powrót z Marsa na Ziemię.. - tłumaczy Krzysztof Basiak, specjalista ds. deceleracji

Konkurs zmuszał do wypracowania rozwiązania dla wielu problemów związanych z eksploracją w zaledwie kilka miesięcy.

From zero to… space engineers!

Tak trudny problem wymagał kompleksowego podejścia. Zespół złożony był ze specjalistów z zupełnie różnych działek - od mechaników i elektroników, przez inżynierów materiałowych po biologów oraz fizyków. Ze względu na specyfikę projektu, konieczne było też wsparcie merytoryczne specjalistów z branży. Swoją pomoc zaoferowali pracownicy z podmiotów takich, jak ESA, CERN oraz Mars Society Polska.

Zdj. Szkolenie z prowadzenia projektów kosmicznych, które przeprowadził dla zespołu jeden z pracowników ESA

O koncepcji słów kilka…

Lądownik Eagle został zaprojektowany w ten sposób, aby optymalnie wykorzystać przestrzeń ładowni potencjalnej rakiety nośnej projektowanej przez NASA - Space Launch System. Jako konstrukcję nośną wykorzystano kadłub półskorupowy, który pozwolił na uzyskanie optymalnego stosunku wymaganej wytrzymałości do masy. Ładownia, która została umieszczona w dolnej centralnej części lądownika, jest jednocześnie windą towarową, co znacznie ułatwia proces rozładunku. Natomiast przestrzeń ładunkowa zaprojektowana jest w ten sposób, że moduł windy bez problemu może być wymieniony na moduł umożliwiający podtrzymanie życia dla ludzi.

Zdj. Przekrój wnętrza lądownika z wysuwaną ładownią, którą można zastąpić modułem podtrzymywania życia

Najtrudniejszym zadaniem było opracowanie metody deceleracji statku w trakcie wchodzenia w atmosferę. Zagadnienie to jest trudne ze względu na wspomnianą wcześniej charakterystykę atmosfery Marsa, która przy większych masach całkowicie wyklucza korzystanie z takich metod hamowania jak np.: spadochrony. Wytracenie prędkości przy użyciu silników (jak miało to miejsce w przypadku lądowań na Księżycu) również nie wchodzi w grę, ze względu na konieczność wykorzystania dużej ilości paliwa rakietowego, a co za tym idzie - bardzo duże koszty (związane głównie z koniecznością transportu paliwa pomiędzy planetami). Jedynym rozsądnym rozwiązaniem jest połączenie kilku metod deceleracji. W projekcie wrocławskich studentów są to: hamowanie aerodynamiczne z wykorzystaniem modułu HIAD (Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator) oraz użycie silników rakietowych w końcowej fazie lądowania.

Zdj. Przekrój wspomnianych niżej wypełnionych gazem pierścieci, które umożliwiają hamowanie aerodynamiczne, czyli wytracenie prędkości dzięki oporom powietrza

HIAD to moduł, który pozwala na zwiększenie efektywnej powierzchni hamowania aerodynamicznego poprzez wypełnienie gazem kilkunastu materiałowych pierścieni o zwiększającej się średnicy, składających się na stożek. Wykorzystanie tej technologii pozwala na wytracenie znaczącej wartości prędkości. Po wykonaniu swojego zadania moduł jest odrzucany, co pozwala na zmniejszenie masy całego lądownika i finalne lądowanie z wykorzystaniem silników.

Bez innowacji nie obyła się również elektroniczna strona naszego projektu. Wykorzystano druk 3D elektroniki, co pozwoliło znacznie zredukować masę układów przy jednoczesnym zachowaniu niskich kosztów produkcji. Drukowana elektronika może być również bardzo cienka, a jednocześnie giętka. Na obecnym stopniu technologicznym można wydrukować już większość czujników używanych w branży kosmicznej np. temperatury, wilgotności, ciśnienia, siły wiatru, promieniowania UV, a także wiele, wiele innych.

Zdj. Wizualizacja lądownika na Marsie

Co ciekawe, w dniu wysyłania końcowego raportu do organizatorów konkursu NASA opublikowało film, przedstawiający po raz pierwszy ich koncepcję lądownika marsjańskiego. Studenci Politechniki Wrocławskiej pomysłowością dorównują największym "mózgom" branży kosmicznej, ponieważ nasza koncepcja podążała w tym samym kierunku.

To mała suma dla człowieka, ale wielka dla Projekt Eagle

Od spełniania naszych marzeń i wzięcia udziału w finale konkursu, który odbywa się w Stanach Zjednoczonych, dzieli ich tylko... spora suma pieniędzy. Potrzebują ich na lot i zakwaterowanie dla naszych członków.

- Szukamy osób i podmiotów, które chciałyby nas wesprzeć. Jako jedna z pięciu drużyn na świecie i jedyna z Polski, będziemy na tych zawodach reprezentować nie tylko naszą uczelnię, ale i cały Polski Sektor Kosmiczny. - mówi Ania Wójcik, lider techniczny projektu

Więcej informacji znajduje się na stronie internetowej: www.scorpio.pwr.edu.pl