Mars 2020-missionen går ud på at sende en rover til Mars for at lede efter liv. Roveren er en form for intelligent køretøj og robot, som kan indsamle en masse oplysninger om planeten og sende dem til Jorden. Roveren hedder Perseverance og blev affyret med en raket den 30. juli 2020. Den 18. februar 2021 landede den på Mars.

Sommeren 2020 var et gyldent tidspunkt at sende en mission til Mars. For kort tid efter, den 13. oktober, ville Mars og Jorden nå så tæt på hinanden som muligt. Her stod de nemlig på linje med hinanden og med solen.

Så tæt en placering af Mars og Jorden sker cirka hver andet år. Det skyldes den tid, det tager for de to planeter at bevæge sig hele vejen rundt om solen. Den tid kaldes for ”omløbstid”. Jorden har en omløbstid på 1 år, mens Mars har en omløbstid på 1,881 år. Derfor ændrer afstanden mellem Jorden og Mars sig hele tiden.

Mars 2020-missionens rumfartøj flyver ikke den korte og direkte vej direkte mellem Jorden og Mars. I stedet bevæger den sig i en meget mere effektiv bane, hvor rumfartøjet indhenter Mars via en buet bane, som ses på figuren nedenfor:

Opbremsningen af landingsfartøjet sker altså i høj grad ved hjælp af luftmodstand. I første omgang på grund af luftmodstanden på selve landingskapslen og i lavere højde ved hjælp af en stor faldskærm.

Når man i fysik skal regne bevægelser, ser man ofte bort fra modstandskræfter som f.eks. luftmodstanden. Det gør man, fordi de besværliggør beregningerne unødvendigt meget. Men ved landingsfartøjets indflyvning på Mars giver det ingen mening at se bort fra luftmodstanden i beregninger af bevægelsen. For det er jo netop luftmodstanden, som er helt centralt i bestræbelserne på at bremse fartøjet, så det kan lande sikkert på overfladen! Vi vil derfor se nærmere på, hvordan luftmodstanden fungerer på Mars og sammenligne det med Jorden.

Atmosfæren på Mars har et meget lavere lufttryk end på Jorden. Trykket på overfladen af Mars er kun omkring 610 Pa=0,00602 atm. Det svarer til 0,6 % af trykket på Jordens overflade. Det vil også sige, at densiteten af Mars’ atmosfære ved overfladen svarer til den lufttæthed, som findes på Jorden i en højde på omkring 35 km. Den tynde atmosfære gør, at luftmodstanden på Mars er meget mindre end på Jorden.

Du har måske set billeder af rumkapsler, der skal lande på Jorden. Når de gør det, daler de ned i store faldskærme for at lande på vandet. Se for eksempel her.

Sådan nogle faldskærmslandinger er ekstremt svære at lave på Mars på grund af planetens tynde atmosfære. Faldskærmene skal simpelthen være ekstremt store for at give tilstrækkelig luftmodstand.

Luftmodstanden for en genstand kan som regel udregnes med formlen:

Formlen viser, at der er en lineær sammenhæng mellem luftdensitet og luftmodstanden. Det betyder, at luftmodstanden på Mars kun er omkring 16% af, hvad den ville være for den samme genstand med samme fart på Jorden.

Det næste led i formlen er formfaktoren c. Denne faktor er enhedsløs og afhænger af genstandens form. En genstand med en aerodynamisk form har en lav c-værdi, fordi de netop er formet på en sådan måde, at luftmodstanden vil blive så lille under bevægelse som muligt. Det er det, aerodynamik går ud på. Omvendt vil man som regel designe en faldskærm til at have en høj formfaktor og derved skabe en stor luftmodstand.

Tværsnitsarealet A i formlen er det areal, man får, hvis man forestiller sig, at man skærer genstanden over på det største sted. Snittet skal være vinkelret på bevægelsesretningen. Det er dette led, som gør, at en stor faldskærm selvfølgelig har en større luftmodstand end en lille faldskærm.

Det sidste led i formlen er farten v. Men v er ikke bare v i den her formel. Det er 'farten i anden'. Det vil sige, at luftmodstanden stiger kraftigt med farten. En fordobling af farten giver for eksempel en firedobling af luftmodstanden.

Det har også betydning for opbremsningen af et landingsfartøjet. Når faldskærmen udløses, mens fartøjet har en høj hastighed, bliver opbremsningen meget stor på grund af faldskærmen. Efterhånden som farten bliver lavere, bliver luftmodstanden mindre. Derfor bliver faldskærmens virkning også mindre.

Den sidste del af opbremsningen sker derfor ved hjælp af raketbremsemotorer. De virker nemlig helt uafhængigt at atmosfærens densitet og fartøjets fart.

Raketter virker grundlæggende ved, at de slynger materiale som gasser eller væsker ud med høj fart i én retning, som giver en kraft, der skaber bevægelse i den modsatte retning. Du kender det sikkert fra en håndbruser i badet. Når du skruer helt op for bruseren, så den sprøjter en masse vand ud af bruserhovedet i høj fart, vil der være en kraft, som forsøger at skubbe bruserhovedet i den modsatte retning af vandet.

Den effekt virker helt uafhængigt at den omgivende luft. Det er grunden til, at raketter også virker i det lufttomme rum mellem planeterne. I den sidste bremsefase af landingen er den tynde atmosfære på Mars derfor ikke en ulempe. Tværtimod er Mars’ mindre tyngdeacceleration i forhold til Jorden faktisk en fordel.

En anden fordel ved at anvende bremseraketter er at de gør det muligt for landingsfartøjet at styre og korrigere landingen. Raketterne kan nemlig styres, så fartøjet kan stå stille i luften længe nok til at hejse Perseverance-roveren ned på Mars’ overflade.

Når Perseverance er sænket sikkert ned på overfladen af Mars, er bremseraketternes sidste opgave at skyde landingsfartøjet så langt væk, at det ikke hvirvler støv op eller skader roveren.

Bremseraketter er også blevet brugt til landinger på Jorden. Space X brugte dem til landinger af deres Falcon X-raketter.

Der er en lang række trin i landingen, som skal fungere perfekt og på det helt rigtige tidspunkt, for at Perseverance-roveren kan lande sikkert på Mars. Landingen omtales af og til som ”7 minutes of terror”, fordi den tager omkring 7 minutter og er helt afgørende for missionens succes.

Hele landingen styres af computeren om bord på fartøjet. Det er nemlig helt umuligt for ingeniørerne på Jorden at bryde ind og rette fejl, hvis noget går galt i løbet af landingen. Det skyldes, at radiosignaler fra Mars er omkring 14 minutter om at nå Jorden på landingstidspunktet. Så når signalet viser, at landingen er begyndt, har roveren forhåbentligt allerede stået 7 minutter på Mars’ overflade.

Men sådan en landing er absolut ikke let. Det vidner det europæiske rumagenturs Schiaparelli-mission fra 2016 om. Fartøjet skulle lande ved hjælp af faldskærm og bremseraketter i stil med Mars 2020-missionen. En fejl i målinger ned gennem Mars’ atmosfære gjorde dog, at faldskærmen blev kastet væk for tidligt, og at bremseraketterne blev affyret i for kort tid. Resultatet var, at fartøjet smadrede ned i Mars’ overflade med en fart på omkring 540 km/t.

Der er tre opgavesæt i pdf-format til teksten. Klik nedenunder for at komme opgaver om: