Udvikling af en flyvestrategi til at lande tungere køretøjer på Mars

Det tungeste køretøj, der med succes landede på Mars, er Curiosity Rover på 1 ton, omkring 2, 200 pund. Sender mere ambitiøse robotmissioner til overfladen af ​​Mars, og til sidst mennesker, vil kræve landede nyttelastmasser i intervallet 5- til 20 tons. At gøre det, vi skal finde ud af, hvordan vi lander mere masse. Det var målet med en nylig undersøgelse.

Normalt, når et køretøj kommer ind i Mars atmosfære med hypersoniske hastigheder på omkring 30 Mach, det bremser hurtigt, udsætter en faldskærm for at bremse mere, og bruger derefter raketmotorer eller airbags til at afslutte landingen.

"Desværre, faldskærmssystemer skalerer ikke godt med stigende køretøjsmasse. Den nye idé er at fjerne faldskærmen og bruge større raketmotorer til nedstigning, " sagde Zach Putnam, assisterende professor i afdelingen for rumfartsteknik ved University of Illinois i Urbana-Champaign.

Ifølge Putnam, når landeren er bremset til omkring Mach 3, fremdriftsmotorerne tændes, affyret i den modsatte retning for at bremse køretøjet for en sikker landing. Problemet er, der forbrænder meget drivmiddel. Drivmiddel øger køretøjets masse, som hurtigt kan øge køretøjsomkostningerne og overstige den nuværende opsendelseskapacitet her på Jorden. Og hvert kilo drivmiddel er et kilogram, der ikke kan være nyttelast:mennesker, videnskabelige instrumenter, last, etc.

"Når et køretøj flyver hyperpersonligt, før raketmotorerne affyres, der genereres et løft, og vi kan bruge den lift til styring, " sagde Putnam. "Hvis vi flytter tyngdepunktet, så det ikke er ensartet pakket, men tungere på den ene side, den vil flyve i en anden vinkel."

Putnam forklarede, at flowet omkring køretøjet er forskelligt på toppen og bunden, hvilket skaber en ubalance, en trykforskel. Fordi liften er i én retning, den kan bruges til at styre køretøjet, når det decelererer gennem atmosfæren.

"Vi har en vis mængde kontrolmyndighed under indrejse, nedstigning, og landing - dvs. evnen til at styre." sagde Putnam. "Hypersonisk, køretøjet kan bruge lift til at styre. Når nedstigningsmotorerne er tændt, motorerne har en vis mængde drivmiddel. Du kan fyre biler på en sådan måde, at du lander meget præcist, du kan glemme alt om nøjagtighed og bruge det hele til at lande det størst mulige rumfartøj, eller du kan finde en balance imellem.

"Spørgsmålet er, hvis vi ved, at vi skal tænde nedstigningsmotorerne kl. sige, 3 mach, hvordan skal vi styre køretøjet aerodynamisk i det hypersoniske regime, så vi bruger den minimale mængde drivmiddel og maksimerer massen af ​​nyttelasten, som vi kan lande?

"For at maksimere mængden af ​​masse, vi kan lande på overfladen, højden, hvor du antænder dine nedstigningsmotorer, er vigtig, men også den vinkel, din hastighedsvektor laver med horisonten – hvor stejlt du kommer ind, " sagde Putnam.

Undersøgelsen afklarede, hvordan man bedst udnytter løftevektoren, ved at bruge optimale kontrolteknikker til at identificere kontrolstrategier, der kan bruges hypersonligt på tværs af forskellige interplanetariske leveringsbetingelser, køretøjsegenskaber, og landede højder for at maksimere landets masse.

"Viser sig, det er drivmiddel-optimalt at komme ind i atmosfæren med løftevektoren peget ned, så køretøjet dykker. Så på det helt rigtige tidspunkt baseret på tid eller hastighed, skifte til at løfte op, så køretøjet trækker ud og flyver med i lav højde, " sagde Putnam. "Dette gør det muligt for køretøjet at bruge mere tid på at flyve lavt, hvor den atmosfæriske tæthed er højere. Dette øger luftmodstanden, reducere mængden af ​​energi, der skal fjernes af nedstigningsmotorerne."

Studiet, "Indgangsbanemuligheder for køretøjer med høj ballistisk koefficient på Mars, " blev forfattet af Christopher G. Lorenz og Zachary R. Putnam. Det vises i Journal of Spacecraft and Rockets .