Det är synd att Mars är en så intressant plats, för det är faktiskt en av de svåraste platserna att besöka i solsystemet, särskilt om du vill ha med dig mycket bagage. Den planeten är en kyrkogård av uppdrag som inte riktigt lyckades.
När våra ambitioner växer och vi funderar på att utforska Mars med människor - kanske till och med framtida kolonister - kommer vi att behöva lösa ett av de största problemen i rymdutforskningen.
Att lyckas landa tunga nyttolaster på Mars ytan är verkligen svårt att göra.
Det finns en massa utmaningar med Mars, inklusive dess brist på en skyddande magnetosfär och lägre ytvikt. Men en av de största är dess tunna atmosfär av koldioxid.
Om du stod på Mars ytan utan en rymddräkt, skulle du frysa ihjäl och kväva av brist på syre. Men du kommer också att uppleva mindre än 1% av det atmosfäriska trycket du tycker om här på jorden.
Och det visar sig, denna tunna atmosfär gör det otroligt utmanande att få betydande nyttolaster säkert ner till ytan på Röda planeten. Faktum är att bara 53% av uppdragen till Mars faktiskt har fungerat ordentligt.
Så låt oss prata om hur uppdrag till Mars har fungerat tidigare, och jag ska visa er vad problemet är.
Att landa på Mars är det värsta
Historiskt sett startas uppdrag till Mars från Jorden under flygfönstren som öppnar vartannat år när Jorden och Mars är närmare varandra. ExoMars flög 2016, InSight 2018 och Mars 2020-rover kommer att flyga in, ja, 2020.
Uppdragen följer den interplanetära överföringsbanan som är utformad för att antingen komma dit snabbast eller med minsta mängd bränsle.
När rymdskeppet kommer in i Mars atmosfär, går det tiotusentals kilometer i timmen. Det måste på något sätt förlora all den hastigheten innan den försiktigt landar på ytan av Röda planeten.
Här på jorden kan du använda den tjocka jordiska atmosfären för att bromsa din härkomst och blöda av din hastighet med en värmesköld. Rymdfärjans brickor var designade för att ta upp värmen från återinträde, eftersom den 77 ton orbiterna gick från 28 000 km / h till noll.
En liknande teknik kan användas på Venus eller Titan, där de har tjocka atmosfärer.
Månen, utan någon atmosfär alls är relativt enkel att också landa på. Utan någon atmosfär alls finns det inget behov av en värmesköld, du använder bara framdrivning för att bromsa din bana och landa på ytan. Så länge du tar med tillräckligt med drivmedel, kan du klämma fast landningen.
Tillbaka till Mars, med ett rymdskepp som trängs in i sin tunna atmosfär med mer än 20 000 kilometer i timmen.
Nyfikenhet är gränsen
Traditionellt har uppdragen börjat sin härkomst med en aeroshell för att ta bort något av rymdskeppets hastighet. Det tyngsta uppdraget som någonsin har skickats till Mars var Curiosity, som vägde in till 1 ton eller 2200 pund.
När den gick in i den Martiska atmosfären gick den 5,9 kilometer i sekundet, eller 22 000 kilometer i timmen.
Nyfikenhet hade den största aeroshell som någonsin skickats till Mars och mätte 4,5 meter tvärs över. Denna enorma aeroshell lutades i en vinkel så att rymdskeppet kan manövrera när det träffar den tunna atmosfären i Mars, med sikte på en specifik landningszon.
På ungefär 131 kilometer höjd skulle rymdskeppet börja skjuta med skyvar för att perfekt anpassa banan när det närmade sig Mars.
Cirka 80 sekunders flygning genom atmosfären steg temperaturerna på värmeskölden till 2 100 grader celsius. För att inte smälta använde värmeskölden ett speciellt material som heter Phenolic Impregnated Carbon Ablator, eller PICA. Samma material som SpaceX använder för sina Dragon Capsules, förresten.
När den hade saktat ner sin hastighet till lägre än Mach 2.2, sände rymdskeppet den största fallskärm som någonsin byggts för ett uppdrag till Mars - 16 meter tvärs över. Denna fallskärm skulle kunna generera 29 000 kilo dragkraft och bromsa den ännu mer.
Hänglinorna var tillverkade av Technora och Kevlar, som är ganska mycket de starkaste och mest värmebeständiga materialen vi känner till.
Sedan slog den ihop fallskärmen och använde raketmotorer för att bromsa nedstigningen ännu mer. När det var tillräckligt nära placerade Curiosity ett skykran som sänkte roveren försiktigt ner till ytan.
Detta är den snabba versionen. Om du vill ha en omfattande översikt över vad Curiosity gick genom landningen på Mars, rekommenderar jag starkt att du kolla in Emily Lakdawalla's "The Design and Engineering of Curiosity".
Nyfikenheten vägde bara ett ton.
Att gå tyngre går inte
Vill du göra samma sak med tyngre nyttolast? Jag är säker på att du föreställer dig större aeroshells, större fallskärmar, större skycranes.
I teorin kommer SpaceX Starship att skicka 100 ton kolonister och deras grejer till ytan av Mars.
Här är problemet. Metoderna för att retardera i den Martiska atmosfären uppskalas inte särskilt bra.
Låt oss börja med fallskärmar. För att vara ärlig, på 1 ton är nyfikenheten ungefär lika tung som du kan använda en fallskärm. Några tyngre och det finns bara inga material som ingenjörer kan använda som kan hantera retardationsbelastningen.
För ett par månader sedan firade NASA-ingenjörer det framgångsrika testet av Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment, eller ASPIRE. Detta är fallskärmen som kommer att användas för Mars 2020-roveruppdraget.
De lägger fallskärmen av avancerade kompositmaterial, som nylon, Technora och Kevlar, på en klingande raket och lanserade den till en höjd av 37 kilometer och efterliknar de förhållanden som rymdskeppet kommer att uppleva när det anländer till Mars.
Fallskärmen utplacerade på en bråkdel av en sekund och fullständigt uppblåst, upplevde 32 000 kilo kraft. Om du var ombord vid den tiden, skulle du uppleva 3,6 gånger så mycket kraft som att krascha i en vägg som går 100 km / h med din säkerhetsbälte. Med andra ord skulle du inte överleva.
Om rymdskeppet var något tyngre, skulle det behöva vara tillverkat av omöjliga sammansatta tyger. Och glöm passagerarna.
NASA har testat olika idéer för att landa tyngre nyttolaster på Mars, liksom så mycket som 3 ton.
En idé kallas Low-Density Supersonic Decelerator, eller LDSD. Tanken är att använda en mycket större aerodynamisk retardator som skulle blåsa upp runt rymdskeppet som ett hoppslott när det kommer in i den marsiska tyngdkraften.
Under 2015 testade NASA faktiskt denna teknik och bar ett prototypfordon på en ballong till en höjd av 36 kilometer. Fordonet avfyrade sedan sin solida raket och bar den till en höjd av 55 kilometer.
När den rakade uppåt, blåste den upp sin Supersonic uppblåsbara aerodynamiska decelerator till en diameter på 6 meter (eller 20 fot), som sedan bromsade den ner till Mach 2.4. Tyvärr misslyckades fallskärmen inte distribueras ordentligt, så den kraschade i Stilla havet.
Det är framsteg. Om de faktiskt kan arbeta med teknik och fysik, kan vi en dag se 3 ton rymdskepp landa på ytan av Mars. Tre hela ton.
Mer framdrivning, mindre last
Nästa idé att skala upp en Mars-landning är att använda mer framdrivning. I teorin kan du bara bära mer bränsle, avfyra dina raketer när du anländer till Mars och avbryta all den hastigheten. Problemet är naturligtvis att ju mer massa du måste bära för att retardera, desto mindre massa kan du faktiskt landa på Mars ytan.
SpaceX Starship förväntas använda en framdrivande landning för att få 100 ton ner till ytan av Mars. Eftersom det tar en mer direkt, snabbare väg, kommer Starship att träffa den Martiska atmosfären snabbare än 8,5 km / s och sedan använda aerodynamiska krafter för att bromsa dess inträde.
Det behöver naturligtvis inte gå så snabbt. Starship kunde använda aerobraking, passera genom den övre atmosfären flera gånger för att tappa av hastigheten. I själva verket är detta den metod som orbital rymdfarkoster som går till Mars använder.
Men då skulle passagerare ombord behöva spendera veckor för att rymdskeppet skulle sakta ner och gå in i omloppsbana runt Mars och sedan gå ner genom atmosfären.
Enligt Elon Musk, hans förtjusande ointuitiva strategi för att hantera allt det värme är att bygga rymdskeppet av rostfritt stål, och sedan kommer små hål i skalet att tappa ut metanbränsle för att hålla rymdskeppets vindriktade sval.
När den väl tappar tillräckligt med hastighet kommer den att vrida, avfyra sina Raptor-motorer och landa försiktigt på ytan av Mars.
Sikt mot marken, dra upp i sista minuten
Varje kilo bränsle som rymdskeppet använder för att bromsa nedstigningen till Marsytan är ett kilo last som det inte kan bära till ytan.
Jag är inte säker på att det finns någon hållbar strategi som lätt kommer att landa tunga nyttolaster på Mars ytan. Smarta människor än jag tycker att det är ganska omöjligt utan att använda enorma mängder drivmedel.
Som sagt, Elon Musk tycker att det finns ett sätt. Och innan vi diskuterar hans idéer, låt oss titta på de två sido boostarna från Falcon Heavy raket landar perfekt tillsammans.
Och var inte uppmärksam på vad som hände med den centrala booster.
En ny studie från flyg- och rymdavdelningen vid University of Illinois i Urbana-Champaign föreslår att uppdrag till Mars skulle kunna dra nytta av den tjockare atmosfären som ligger närmare Mars-ytan.
I sitt papper med titeln ”Entry Trajectory Options for High Ballistic Coefficient Vehicles at Mars” föreslår forskarna att rymdskepp som flyger till Mars inte behöver ha så bråttom för att bli av med sin hastighet.
När rymdskeppet skriker genom atmosfären kommer det fortfarande att kunna generera mycket aerodynamisk hiss, som kan användas för att styra det genom atmosfären.
De körde beräkningarna och fann att den ideala vinkeln var att bara peka rymdskeppet rakt ner och dyka mot ytan. Sedan, i sista möjliga ögonblick, dra upp med den aerodynamiska hissen för att flyga i sidled genom den tjockaste delen av atmosfären.
Detta ökar dragkraften och låter dig bli av med den största mängden hastighet innan du sätter på dina avstämningsmotorer och fullbordar din drivna landning.
Det låter, um, kul.
Om mänskligheten kommer att bygga en livskraftig framtid på ytan av Mars, kommer vi att behöva knäcka detta problem. Vi kommer att behöva utveckla en serie tekniker och tekniker som gör landningen på Mars mer pålitlig och säker.
Jag misstänker att det kommer att bli mycket mer utmanande än folk förväntar sig, men jag ser fram emot idéerna som kommer att testas under de kommande åren.
Ett stort tack till Nancy Atkinson som täckte detta ämne här på Space Magazine för mer än ett decennium sedan, och inspirerade mig att arbeta med den här videon.
