В ближайшие десятилетия запланирован ряд миссий на Марс, которые включают предложения впервые отправить туда космонавтов. Это сопряжено с многочисленными материально-техническими и техническими проблемами: от огромного расстояния до необходимости усиления защиты от радиации. В то же время, существует также сложность приземления на Красную планету, или то, что называется «Проклятие Марса».
Что еще более усложнит ситуацию, размер и масса будущих миссий (особенно космических кораблей с экипажем) будут за пределами возможностей современных технологий входа, снижения и посадки (EDL). Чтобы решить эту проблему, группа ученых из аэрокосмической отрасли опубликовала исследование, в котором показано, как компромисс между тормозной тягой на малой высоте и углом полета может позволить тяжелым полетам безопасно приземлиться на Марсе.
Исследование, которое недавно появилось в Журнал космических кораблей и ракетАвторы - Кристофер Дж. Лоренц и Захари Р. Патнэм - научный сотрудник Аэрокосмической корпорации и доцент аэрокосмической техники в Университете Иллинойса, соответственно. Вместе они исследовали различные стратегии посадки, чтобы увидеть, какие из них могут преодолеть «проклятие Марса».
Проще говоря, посадка на Марс - сложное дело, и только 53% космических кораблей, отправленных туда с 1960-х годов, сделали его на поверхность нетронутым. На сегодняшний день самым тяжелым транспортным средством для успешной посадки на Марс был Любопытство ровер, который весил 1 метрическую тонну (2200 фунтов). В будущем НАСА и другие космические агентства планируют отправлять полезные грузы массой от 5 до 20 тонн, что выходит за рамки обычных стратегий EDL.
В большинстве случаев это означает, что транспортное средство въезжает в атмосферу Марса на гиперзвуковых скоростях до 30 Маха, а затем быстро замедляется из-за трения в воздухе. Как только они достигают Маха 3, они развертывают парашют и запускают свои реактивные ракеты, чтобы замедлить движение дальше. По словам Патнэма, проблема с более тяжелыми миссиями заключается в том, что парашютные системы плохо масштабируются при увеличении массы транспортного средства.
К сожалению, реактивные двигатели сжигают много топлива, что увеличивает общую массу транспортного средства, что означает, что требуются более тяжелые ракеты-носители, а миссии в конечном итоге стоят дороже. Кроме того, чем больше топлива требуется космическому кораблю, тем меньше он может сэкономить для полезной нагрузки, груза и экипажа. Как объяснил профессор Путман в пресс-релизе компании Illinois Aerospace:
«Новая идея состоит в том, чтобы исключить парашют и использовать для спуска более крупные ракетные двигатели… Когда транспортное средство летит гиперзвуком, перед тем, как запустить ракетные двигатели, создается некоторый подъем, и мы можем использовать этот подъем для рулевого управления. Если мы переместим центр тяжести так, чтобы он не был равномерно упакован, а тяжелее с одной стороны, он полетел бы под другим углом ».
Для начала, Лоренц и Патнэм исследовали перепад давления, который возникает вокруг транспортного средства, когда оно попадает в атмосферу Марса. По сути, поток вокруг транспортного средства отличается сверху, а не снизу, что создает подъемную силу в одном направлении. Эта жизнь может использоваться, чтобы управлять транспортным средством, поскольку это замедляется через атмосферу.
Как объяснил Патнэм, в этот момент корабль мог либо использовать свои реактивные ракеты, чтобы точно приземлить корабль, либо он мог сохранить свой пропеллент для посадки как можно большего количества массы - или же был бы достигнут баланс между ними. В конце концов, вопрос в том, на какой высоте вы запускаете ракеты. Как сказал Патнэм:
«Вопрос в том, если мы знаем, что собираемся зажигать спускаемые двигатели, скажем, на Маха-3, как мы должны аэродинамически управлять транспортным средством в гиперзвуковом режиме, чтобы мы использовали минимальное количество топлива и максимизировали массу полезная нагрузка, что мы можем приземлиться? Чтобы максимизировать количество массы, которое мы можем [приземлиться] на поверхности, важна высота, на которой вы зажигаете ваши спускающиеся двигатели, а также угол, который ваш вектор скорости образует с горизонтом - насколько круто вы входите ».
В этом заключается еще один важный аспект исследования, в котором Лоренц и Патнэм оценили, как наилучшим образом использовать вектор подъема. Они обнаружили, что лучше всего входить в атмосферу Марса с вектором подъема, направленным вниз, чтобы транспортное средство совершало погружение, а затем (в зависимости от времени и скорости) переключать подъем и летать на низкой высоте.
«Это позволяет автомобилю проводить больше времени на низком уровне, где плотность атмосферы выше», - сказал Патнэм. «Это увеличивает сопротивление, уменьшая количество энергии, которое должно быть удалено двигателями спуска».
Выводы этого исследования могут дать информацию о будущих миссиях на Марс, особенно когда речь идет о тяжелых космических кораблях, перевозящих грузы и экипажи. В то время как эта стратегия EDL привела бы к более нервной посадке, шансы экипажей приземлились благополучно и не поддавались «Великому галактическому упырю».
Помимо Марса, это исследование может повлиять на посадку на другие солнечные тела с тонкой атмосферой. В конечном счете, стратегия Лоренца и Путнэма о гиперзвуковом входе и торможении на малой высоте может помочь в выполнении командированных миссий на все виды небесных тел.
