Зад гръмките медийни съобщения за скорошно стъпване на човешки крак върху Червената планета се крие прост и брутален изчислителен проблем: газовият състав и плътността на марсианската атмосфера. С повърхностно налягане, което варира около едва 610 паскала — под един процент от земното — марсианското газово було се държи като аеродинамично гробище за тежки космически апарати. Всеки обект, влизащ в това пространство със скорост над 5-6 километра в секунда, се сблъсква с липса на достатъчно молекули, които да създадат необходимата челна съпротивителна сила за спиране, но същевременно попада в среда с достатъчна плътност, за да генерира плазмен слой и опустошително термично натоварване.
През 2007 година Роб Манинг, главен инженер в Лабораторията за реактивно движение (JPL) в Пасадена и архитект на кацането на поредица автоматични станции, директно определя задачата за приземяване на хора като физически непреодолима с наличния тогава технологичен арсенал. До онзи момент инженерията разчиташе на класическата триада: топлинен щит за начално спиране в горните слоеве, парашутна система за средните височини и малки балистични или реактивни двигатели за финалните метри. Тази схема обаче има своя неизбежен таван на полезния товар.
Лимитът на парашутната технология
Максималната маса, която тази класическа концепция успя да постави на повърхността, бе регистрирана през февруари 2021 година, когато марсоходът Perseverance, с маса от приблизително 1025 килограма, докосна дъното на кратера Езеро. За да се случи това, бе използвана най-голямата свръхзвукова парашутна система, строена някога — купол с диаметър 21 метра, развиващ се при скорост Мах 1.7 до 2.0. Над тази маса обаче куполът на парашута просто се разкъсва от динамичното налягане или трябва да стане толкова масивен, че теглото на самата платнена и въжена конструкция изяжда целия полезен товар.
Покрай мисията Perseverance бе използвана и прочутата система небесен кран, при която апаратът виси на найлонови въжета под ракета-платформа. Но тук математиката на разхода на гориво и механичните вибрации става неумолима: небесният кран е неприложим за апарат с маса 20, 50 или 100 тона, колкото е минималното сухо тегло на пилотиран модул с жизненоважните за екипажа ресурси, радиационна защита и горивни резерви.
От практическа гледна точка, парашутите за тежки мисии се оказаха задънена улица. В средата на миналото десетилетие стана ясно, че ако въобще ще има човешка стъпка на Марс, спирането трябва да се поеме от самите двигатели на кораба още докато той се движи с многократна скорост на звука.
Превратът на свръхзвуковата ретропропулсия
Идеята да задействаш ракетни двигатели срещу насрещния хиперзвуков или свръхзвуков въздушен поток дълго време се смяташе за опасна аеродинамична нестабилност. Вятърният тунел и математическите симулации показваха, че реактивната струя, излизаща от дюзите, разкъсва ударната вълна пред кораба, което може да доведе до загуба на ориентация, неконтролируемо преобръщане и термично унищожаване на конструкцията.
НАСА нямаше нито бюджета, нито политическия мандат да рискува изстрелването на десетки тестови ракети в земната атмосфера, за да провери тази хипотеза на практика. Нужен беше играч с различен рисков профил и налична сурова инфраструктура.
Пратката от данни дойде неочаквано от частния сектор през септември 2013 година. По време на изстрелването на спътника CASSIOPE, компанията SpaceX за първи път направи опит да запали отново три от двигателите Merlin 1D на първата степен на Falcon 9, докато тя се спускаше обратно през плътните слоеве на земната атмосфера със скорост около Мах 6. Макар първите няколко степени да бяха загубени или разбити в океана поради липса на контрол над усукването и изчерпване на хидравличната течност, експериментът доказа фундаменталното: реактивната струя не разрушава апарата, а всъщност действа като виртуален аеродинамичен щит.
Данните, събрани от SpaceX и по-късно споделени с инженерите от НАСА по линия на съвместни споразумения за изследване, потвърдиха, че изтласкваната от двигателите маса създава газов балон пред корпуса. Този балон изтласква горещата атмосфера и shock-вълната далеч от конструкцията, намалявайки драстично както топлинния поток към корпуса, така и скоростта.
През декември 2015 година, при кацането на първата степен на Falcon 9 на площадка LZ-1 в Кейп Канаверал, свръхзвуковата ретропропулсия премина от експериментален статус в ежедневна инженерна реалност. Стана ясно, че законите на физиката позволяват спирането да се пренесе изцяло върху ракетата, заобикаляйки необходимостта от сложни и чупливи механични системи.
