Как отправить на Марс тяжелый корабль и посадить его без парашюта

Самым тяжелым транспортным средством, способным успешно приземлиться на Марсе, является до сих пор марсоход Curiosity весом более тонны. Отправка более амбициозных роботизированных миссий на поверхность Марса и, в конечном итоге, людей, потребует массы полезного груза в диапазоне от 5 до 20 тонн. Чтобы сделать это, человечеству еще предстоит выяснить, как осуществить посадку аппарата большей массы. Это и стало целью нового исследования.

Обычно, когда транспортное средство входит в атмосферу Марса на гиперзвуковых скоростях около 30 Маха, оно быстро замедляется и разворачивает парашют, использует ракетные двигатели или воздушные подушки для завершения посадки.

«К сожалению, парашютные системы плохо масштабируются при увеличении массы транспортного средства. Новая идея состоит в том, чтобы исключить парашют и использовать более крупные ракетные двигатели для снижения», — сказал Зак Патнэм, доцент кафедры аэрокосмической техники в Иллинойском университете в Урбане.

По словам Патнэма, когда посадочный аппарат замедлился до примерно 3 Маха, должны сработать реактивные двигатели и развернуться в нужном направлении, замедлив транспортное средство для безопасной посадки. Беда в том, что при этом сгорает много топлива. Пропеллент увеличивает массу транспортного средства, что может значительно увеличить стоимость транспортного средства и превысить текущие возможности запуска здесь на Земле. Каждый килограмм топлива — это килограмм, который не может быть полезен: люди, научные инструменты, груз и так далее.

«Когда транспортное средство летит с гиперзвуковой скоростью, перед запуском ракетных двигателей создается некоторый подъем, и мы можем использовать этот подъем для управления», — сказал Патнэм. «Если мы переместим центр тяжести так, чтобы он не был равномерно упакован, а был тяжелее с одной стороны, то запуск состоится под другим углом».

Патнэм объяснил, что поток вокруг транспортного средства отличается сверху и снизу, что создает дисбаланс, перепад давления. Поскольку подъемник движется в одном направлении, его можно использовать для управления транспортным средством по мере его замедления в атмосфере.

Исследование прояснило, как наилучшим образом использовать вектор подъема, используя оптимальные методы управления для определения стратегий управления, которые можно использовать гиперзвуком в различных межпланетных условиях доставки, свойствах транспортного средства и высотах при посадке с целью максимизировать массу посадки.

«Оказывается, это оптимально для ракетного топлива вход в атмосферу с вектором подъема, направленным вниз, как будто транспортное средство ныряет. Затем в нужный момент, основанный на времени или скорости, переключитесь на подъем, чтобы транспортное средство выдвигалось и летало вперед. на малой высоте «, — отметил Путнэм. «Это позволяет автомобилю проводить больше времени в полете на низкой высоте, где плотность атмосферы выше. Это увеличивает сопротивление, уменьшая количество энергии, которое должно быть уделено двигателям спуска».