Under de kommande decennierna planeras ett antal uppdrag för Mars, som innehåller förslag om att skicka astronauter dit för första gången. Detta ger många logistiska och tekniska utmaningar, allt från stort avstånd till behovet av ökat skydd mot strålning. Samtidigt finns det också svårigheten att landa på den röda planeten, eller vad som kallas ”Mars Curse”.
För att komplicera frågor mer kommer storleken och massan på framtida uppdrag (speciellt bemannade rymdskepp) att ligga längre än kapaciteten för nuvarande inresa, härkomst och landning (EDL) teknik. För att ta itu med detta släppte ett team av flyg- och rymdforskare en studie som visar hur en avvägning mellan nedre bromsström och flygvägsvinkel kan möjliggöra tunga uppdrag att säkert landa på Mars.
Studien, som nyligen dök upp i Journal of Spacecraft and Rockets, författades av Christopher G. Lorenz och Zachary R. Putnam - en forskare med The Aerospace Corporation och en biträdande professor i flyg- och rymdteknik vid University of Illinois. Tillsammans undersökte de olika landningsstrategier för att se vilka som skulle kunna övervinna "Mars Curse".
Enkelt uttryckt är landning på Mars en svår affär, och endast 53% av rymdfarkoster som skickats dit sedan 1960-talet har gjort det till ytan intakt. Hittills var det tyngsta fordonet som lyckades landa på Mars Nyfikenhet rover, som vägde 1 ton (2200 pund). I framtiden planerar NASA och andra rymdbyråer att skicka nyttolaster med massor från 5 till 20 ton, vilket är bortom konventionella EDL-strategier.
I de flesta fall består detta av ett fordon som kommer in i Martianatmosfären med hypersoniska hastigheter upp till Mach 30 och sedan sakta ner snabbt på grund av luftfriktion. När de når Mach 3 distribuerar de en fallskärm och avfyrar sina retrorockets för att bromsa ytterligare. Problemet med tyngre uppdrag, enligt Putnam, är att fallskärmsystem inte skalar bra med ökande fordonsmassa.
Tyvärr bränner retrorocket-motorer mycket drivmedel, vilket bidrar till den totala fordonsmassan - vilket innebär att tyngre startbilar behövs och uppdragen kostar mer. Dessutom, desto mer drivmedel ett rymdskepp behöver, desto mindre volym kan det spara för nyttolast, last och besättning. Som professor Putman förklarade i ett pressmeddelande från Illinois Aerospace:
”Den nya idén är att eliminera fallskärmen och använda större raketmotorer för nedstigning ... När ett fordon flyger hypersoniskt, innan raketmotorerna avfyras, genereras en del hiss och vi kan använda den hissen för styrning. Om vi flyttar tyngdpunkten så att det inte är enhetligt förpackat, men tyngre på ena sidan, kommer det att flyga i en annan vinkel. "
För det första undersökte Lorenz och Putnam tryckskillnaden som inträffar runt ett fordon när det träffar Mars 'atmosfär. I grund och botten är flödet runt fordonet annorlunda på toppen än på fordonets botten, vilket skapar lyft i en riktning. Detta liv kan användas för att styra fordonet när det bromsas upp genom atmosfären.
Som Putnam förklarade, kunde hantverket antingen använda sina retrorockets på denna punkt för att landa hantverket exakt, eller så kan det bevara dess drivmedel för att landa den största mängden massa som möjligt - eller en balans mellan de två skulle kunna uppnås. I slutändan är det en fråga om i vilken höjd du avfyrar raketerna. Som Putnam uttryckte det:
"Frågan är om vi vet att vi tänder nedstigningsmotorerna på, säg Mach 3, hur ska vi styra fordonet aerodynamiskt i hypersonregimen så att vi använder minsta mängd drivmedel och maximerar massan hos nyttolast som vi kan landa? För att maximera mängden massa vi kan [landa] på ytan är höjden vid vilken du tänder dina härkomstmotorer viktigt, men också vinkeln som din hastighetsvektor gör med horisonten - hur brant du kommer in. ”
Här ligger en annan viktig aspekt av studien, där Lorenz och Putnam bedömde hur man bäst kan använda hissvektorn. Vad de fann var att det var bäst att komma in i atmosfären i Mars med hissvektorn pekad ned så att fordonet dyker, och sedan (beroende på tid och hastighet) växla hissen upp och flyga med i låg höjd.
"Detta gör det möjligt för fordonet att spendera mer tid på att flyga lågt där atmosfärstätheten är högre," sade Putnam. "Detta ökar motståndskraften, vilket minskar mängden energi som måste avlägsnas av härkomstmotorerna."
Slutsatserna från denna studie kan informera framtida uppdrag till Mars, särskilt när det gäller tungt rymdskepp som transporterar gods och besättningar. Medan denna EDL-strategi skulle ge en mer nerv-landande landning, kommer oddsen för att besättningarna landar säkert och inte att ge efter för ”Great Galactic Ghoul”.
Bortom Mars kan denna studie få konsekvenser för landning på andra solkroppar som har tunna atmosfärer. I slutändan kunde Lorenz och Putnams strategi om ett hypersoniskt inträde och en bromsström på lägre höjd hjälpa till med besättningsuppdrag till alla slags himmelkroppar.
