W nadchodzących dziesięcioleciach planowanych jest wiele misji na Marsa, w tym propozycje wysłania tam astronautów po raz pierwszy. Stwarza to liczne wyzwania logistyczne i techniczne, od samej odległości do potrzeby zwiększonej ochrony przed promieniowaniem. Jednocześnie istnieje również trudność lądowania na Czerwonej Planecie lub tak zwanej „Klątwą Marsa”.
Aby jeszcze bardziej skomplikować sprawę, wielkość i masa przyszłych misji (zwłaszcza załogowych statków kosmicznych) będzie przekraczać możliwości obecnej technologii wejścia, zejścia i lądowania (EDL). Aby rozwiązać ten problem, zespół naukowców z branży lotniczej opublikował badanie, które pokazuje, w jaki sposób kompromis między siłą hamowania na niższych wysokościach a kątem toru lotu może pozwolić na bezpieczne lądowanie ciężkich misji na Marsie.
Badanie, które niedawno pojawiło się w Dziennik statków kosmicznych i rakiet, autorami są Christopher G. Lorenz i Zachary R. Putnam - badacz z The Aerospace Corporation i asystent profesora inżynierii kosmicznej, odpowiednio na University of Illinois. Wspólnie zbadali różne strategie lądowania, aby sprawdzić, które mogłyby pokonać „Klątwę Marsa”.
Mówiąc najprościej, lądowanie na Marsie jest trudnym biznesem, a tylko 53% statków kosmicznych wysłanych tam od lat sześćdziesiątych dotarło na powierzchnię nietknięte. Do tej pory najcięższym pojazdem, który z powodzeniem wylądował na Marsie, był Ciekawość łazik, który ważył 1 tonę metryczną (2200 funtów). W przyszłości NASA i inne agencje kosmiczne planują wysłać ładunki o masach od 5 do 20 ton, co wykracza poza konwencjonalne strategie EDL.
W większości przypadków polega to na wjechaniu pojazdu w marsjańską atmosferę z prędkością naddźwiękową do Mach 30, a następnie zwolnieniem szybko z powodu tarcia powietrza. Gdy osiągną Mach 3, rozkładają spadochron i wystrzeliwują swoje retrorockets, aby jeszcze bardziej zwolnić. Problem z cięższymi misjami, według Putnama, polega na tym, że systemy spadochronowe nie skalują się dobrze ze wzrostem masy pojazdu.
Niestety, silniki z retrorakiem spalają dużo paliwa, co zwiększa całkowitą masę pojazdu - co oznacza, że potrzebne są cięższe pojazdy startowe, a misje kosztują więcej. Ponadto, im więcej paliwa potrzebuje statek kosmiczny, tym mniejszą objętość może zaoszczędzić na ładunku, ładunku i załodze. Jak wyjaśnił prof. Putman w komunikacie prasowym Illinois Aerospace:
„Nowym pomysłem jest wyeliminowanie spadochronu i użycie większych silników rakietowych do zejścia… Kiedy pojazd leci hipersonistycznie, zanim silniki rakietowe zostaną odpalone, generowany jest pewien podnośnik i możemy go użyć do sterowania. Jeśli przesuniemy środek ciężkości, aby nie był równomiernie zapakowany, ale cięższy z jednej strony, będzie latał pod innym kątem ”.
Na początek Lorenz i Putnam badali różnicę ciśnień, która występuje wokół pojazdu, gdy uderza on w atmosferę Marsa. Zasadniczo przepływ wokół pojazdu jest inny na górze niż na dole pojazdu, co powoduje podniesienie w jednym kierunku. Tego życia można użyć do kierowania pojazdem, który zwalnia w atmosferze.
Jak wyjaśnił Putnam, statek może albo użyć w tym momencie retrorokatów, aby dokładnie wylądować, albo może zachować swój gaz pędny, aby wylądować jak największą masę - lub można zachować równowagę między nimi. Ostatecznie chodzi o to, na jakiej wysokości wystrzelicie rakiety. Jak ujął to Putnam:
„Pytanie brzmi: jeśli wiemy, że zapalimy silniki zejścia na, powiedzmy, Mach 3, w jaki sposób powinniśmy kierować pojazdem aerodynamicznie w trybie hipersonicznym, abyśmy używali minimalnej ilości paliwa i maksymalizowali masę ładowność, którą możemy wylądować? Aby zmaksymalizować ilość masy, którą możemy [wylądować] na powierzchni, ważna jest wysokość, na której zapalasz silniki zejścia, ale także kąt, jaki wektor prędkości tworzy z horyzontem - jak stromy jesteś. ”
Oto kolejny ważny aspekt badania, w którym Lorenz i Putnam ocenili, jak najlepiej wykorzystać wektor dźwigu. Odkryli, że najlepiej było wejść do atmosfery Marsa z wektorem podnoszenia skierowanym w dół, aby pojazd zanurkował, a następnie (w zależności od czasu i prędkości) przełączyć windę w górę i lecieć na małej wysokości.
„Dzięki temu pojazd może spędzać więcej czasu lecąc nisko tam, gdzie gęstość atmosferyczna jest wyższa”, powiedział Putnam. „Zwiększa to opór, zmniejszając ilość energii, którą muszą usunąć silniki zstępujące”.
Wnioski z tych badań mogą stanowić podstawę przyszłych misji na Marsa, szczególnie w przypadku ciężkich statków kosmicznych przewożących ładunki i załogi. Chociaż ta strategia EDL spowodowałaby bardziej denerwujące lądowanie, szanse załóg lądują bezpiecznie i nie ulegają „Wielkiemu Galaktycznemu Ghulowi”.
Poza Marsem to badanie może mieć wpływ na lądowanie na innych ciałach słonecznych o cienkiej atmosferze. Ostatecznie strategia hiperosobowego wejścia Lorenza i Putnama oraz siły hamowania na niższych wysokościach może pomóc w załogowych misjach do wszelkiego rodzaju ciał niebieskich.
