De kommende tiårene er det planlagt en rekke oppdrag for Mars, som inkluderer forslag om å sende astronauter dit for første gang. Dette gir mange logistiske og tekniske utfordringer, alt fra stor avstand til behovet for økt beskyttelse mot stråling. Samtidig er det også vanskeligheten med å lande på den røde planeten, eller det som omtales som "Mars Curse".
For å komplisere saker mer, vil størrelsen og massen på fremtidige oppdrag (spesielt bemannet romfartøy) være utenfor kapasiteten til nåværende inngangs-, utforkjørings- og landings-teknologi (EDL). For å adressere dette ga et team av romfarenskapsforskere ut en studie som viser hvordan en avveining mellom nedre høyde bremsekraft og flyveveg kan gjøre det mulig for tunge oppdrag å trygt lande på Mars.
Studien, som nylig dukket opp i Journal of Spacecraft and Rockets, ble forfatter av Christopher G. Lorenz og Zachary R. Putnam - en forsker med henholdsvis The Aerospace Corporation og en assisterende professor i luftfartsteknikk ved University of Illinois. Sammen undersøkte de forskjellige landingsstrategier for å se hvilke som kunne overvinne "Mars Curse".
Enkelt sagt er landing på Mars en vanskelig virksomhet, og bare 53% av romfartøyene som ble sendt dit siden 1960-tallet har gjort det til overflaten intakt. Til dags dato var det tyngste kjøretøyet for å lykkes på Mars Nysgjerrighet rover, som veide 1 tonn. I fremtiden planlegger NASA og andre romfartsorganer å sende nyttelaster deres med masser fra 5 til 20 tonn, noe som er utenfor konvensjonelle EDL-strategier.
I de fleste tilfeller består dette av et kjøretøy som kommer inn i den Martiske atmosfæren i hypersoniske hastigheter på opptil Mach 30 og deretter bremser raskt på grunn av luftfriksjon. Når de når Mach 3, distribuerer de en fallskjerm og avfyrer retrorockets for å bremse ytterligere. Problemet med tyngre oppdrag, ifølge Putnam, er at fallskjermsystemer ikke skalerer godt med økende kjøretøymasse.
Dessverre brenner retrorocket-motorer mye drivmiddel, noe som øker den totale kjøretøymassen - noe som betyr at det er behov for tyngre utskytningsbiler og oppdrag koster mer. I tillegg, jo mer drivmiddel et romskip trenger, jo mindre volum kan det skåne for nyttelast, last og mannskap. Som professor Putman forklarte i en pressemelding fra Illinois Aerospace:
“Den nye ideen er å eliminere fallskjermen og bruke større rakettmotorer for nedstigning… Når et kjøretøy flyr hypersonisk, før rakettmotorene fyres, genereres det noen heis, og vi kan bruke heisen til styring. Hvis vi beveger tyngdepunktet slik at det ikke er ensartet pakket, men tyngre på den ene siden, vil det fly i en annen vinkel. "
For det første undersøkte Lorenz og Putnam trykkforskjellen som oppstår rundt et kjøretøy når den treffer Mars 'atmosfære. I utgangspunktet er flyten rundt kjøretøyet annerledes på toppen enn på bunnen av kjøretøyet, noe som skaper løft i en retning. Dette livet kan brukes til å styre kjøretøyet når det bremser gjennom atmosfæren.
Som Putnam forklarte, kunne håndverket enten bruke sine retrorockets på dette punktet for å lande fartøyet nøyaktig, eller det kunne bevare drivmidlet sitt til å lande størst mulig mengde masse - eller en balanse mellom de to kunne bli truffet. Til slutt er det et spørsmål om i hvilken høyde du skyter rakettene. Som Putnam sa det:
Spørsmålet er, hvis vi vet at vi skal tenne ned utforkjøringsmotorene på, si, Mach 3, hvordan skal vi styre kjøretøyet aerodynamisk i det hypersoniske regimet slik at vi bruker minimumsmengden drivmiddel og maksimerer massen til nyttelast som vi kan lande? For å maksimere mengden vi kan [lande] på overflaten, er høyden du tenner avstammingsmotorene viktig, men også den vinkelen hastighetsvektoren gjør med horisonten - hvor bratt du kommer inn. ”
Her ligger et annet viktig aspekt av studien, der Lorenz og Putnam vurderte hvordan de best kunne utnytte heisvektoren. Det de fant var at det var best å komme inn i atmosfæren til Mars med hevevektoren pekt ned slik at kjøretøyet dykker, og deretter (avhengig av tid og hastighet) for å skifte heisen opp og fly med i lav høyde.
"Dette gjør det mulig for kjøretøyet å bruke mer tid på å fly lavt der atmosfæretettheten er høyere," sa Putnam. "Dette øker dra, reduserer mengden energi som må fjernes av utforkjøringsmotorene."
Konklusjonene fra denne studien kan informere fremtidige oppdrag til Mars, spesielt når det gjelder tungt romskip som transporterer last og mannskaper er bekymret. Mens denne EDL-strategien ville gi en mer nervepirrende landing, er oddsen for at mannskapene lander trygt og ikke bukker under for “Great Galactic Ghoul”.
Utover Mars, kan denne studien få konsekvenser for landing på andre solcellekropper som har tynne atmosfærer. Til syvende og sist kunne Lorenz og Putnams strategi om en hypersonic inngang og en bremsekraft i lavere høyde hjelpe til med besetningsoppdrag til alle slags himmellegemer.
