Forskere identificerer optimale menneskelige landingssystemarkitekturer til at lande på Månen

Forskere fra Skoltech og Massachusetts Institute of Technology har analyseret adskillige dusin muligheder for at vælge den bedste med hensyn til ydeevne og omkostninger for den 'sidste mil' af en fremtidig mission til Månen – faktisk leverer astronauter til månens overflade og bakke op til månen. sikkerheden for den kredsende månestation. Artiklen blev offentliggjort i tidsskriftet Acta Astronautica .

Lige siden december 1972, da besætningen på Apollo 17 forlod månens overflade, mennesker har været ivrige efter at vende tilbage til Månen. I 2017 den amerikanske regering lancerede Artemis-programmet, som har til hensigt at bringe "den første kvinde og den næste mand" til månens sydpol i 2024. Artemis-missionen vil bruge en ny orbital platform, døbt Lunar Gateway, som skal være en permanent rumstation, hvorfra genanvendelige moduler vil bringe astronauter tilbage til Månen. Denne nye tilgang kræver en reanalyse af de optimale landingstilgange; de private virksomheder, der er kontraheret af NASA for at designe de genanvendelige landingsmoduler, udfører denne forskning, men holder deres resultater for sig selv.

Skoltech M.Sc. studerende Kir Latyshev, Ph.D. studerende Nicola Garzaniti, Lektor Alessandro Golkar, og MIT's Edward Crawley udviklede matematiske modeller til at vurdere de mest lovende muligheder for menneskelige landingssystemer til en fremtidig Artemis-mission. For eksempel, Apollo-programmet brugte 2-trins arkitektur, når Apollo Lunar Module, bestående af nedstignings- og opstigningsmoduler, var i stand til at bære to personer til månens overflade og bakke op, efterlader nedstigningsmodulet.

Holdet antog, at Lunar Gateway er placeret i L2 nær retlinet halo-kredsløb, den aktuelt foretrukne mulighed, der har stationen i kredsløb om L2 Lagrange-punktet på en måde, der gør det nemmere at lande på månens sydpol. De modellerede også en ekspedition af fire astronauter, som vil tilbringe omkring syv dage på Månen. Forskerne overvejede både det optimale antal trin og de foretrukne drivmidler til systemet. I alt, de gennemgik 39 varianter af det fremtidige månelandingssystem, også modellering af omkostningerne for de mest lovende muligheder.

Holdet gennemgik en omfattende tilgang til vurdering af alternative koncepter af menneskelige månelandere, ser på en lang række muligheder ved hjælp af arkitektoniske screeningsmodeller. De definerede først det centrale sæt af arkitektoniske beslutninger, der skulle træffes, såsom antal trin og drivmiddeltype, der skal anvendes på hvert trin af landeren. De organiserede informationen i matematiske modeller, og udførte en omfattende beregningsmæssig udforskning af alternative systemarkitekturer, der kommer fra kombinationen af ​​de forskellige arkitekturbeslutninger. Endelig, de analyserede det resulterende handelsrum og identificerede foretrukne arkitekturer til overvejelse af interessenter, der beskæftiger sig med design af menneskelige månelandere.

Deres analyse viste, at for brugbare landingssystemer som dem, der blev brugt i Apollo-programmet, 2-trins arkitekturen er faktisk den mest fordelagtige, da den har både lavere samlede tørmasser og drivmiddelbelastninger samt lavere opsendelsesomkostninger pr. mission. Imidlertid, for genanvendelige køretøjer planlagt til Artemis-programmet, 1-trins og 3-trins systemer bliver hurtigt sammenlignelige i deres fordele.

Med alle antagelser i papiret taget i betragtning, den 'ultimate' vinder for en række korte månemissioner af 'sortie'-typen er det 1-trins genanvendelige modul, der kører på flydende oxygen og flydende brint (LOX/LH2). Forfatterne bemærker, at dette er en foreløbig analyse, som ikke tager hensyn til besætningens sikkerhed, sandsynlighed for missions succes såvel som projektstyringsrisici – disse vil kræve mere omfattende modellering på et senere trin af programmet.

Kir Latyshev bemærker, at til Apollo-programmet, NASA-ingeniører lavede en lignende analyse og valgte 2-trins månemodulet. Imidlertid, den overordnede arkitektur af månemissioner var anderledes dengang. Den havde ikke en kredsende månestation til at holde månemodulet ved mellem missionerne, hvilket betød, at alle ALM-flyvninger skulle udføres direkte fra Jorden. Det betød også at bruge fuldt forbrugbare månemoduler (et nyt køretøj til hver mission), i modsætning til genanvendelige, der overvejes i dag. Bortset fra det, uden månestationen, en af ​​de nuværende muligheder - 3-trins landingssystemet - var slet ikke mulig.

"Interessant nok, vores undersøgelse viser, at selv med den kredsende station, hvis fuldt forbrugsbiler tages i betragtning, så forventes det 2-trins (Apollo-lignende) landingssystem stadig at have lavere masser og, derfor, lavere omkostninger - hvilket på en måde bekræfter Apollo-beslutningen. Imidlertid, genanvendelighed ændrer det. Selvom 1-trins og 3-trins køretøjer i dette tilfælde stadig er tungere end 2-trins, de gør det muligt at genbruge mere af 'køretøjsmassen' (ca. 70-100 % sammenlignet med omkring 60 % for 2-trins muligheden) igen og igen, dermed spare penge på at producere og levere nye køretøjer til den kredsende station og gøre månemissioner potentielt billigere, " siger Latyshev.

Han tilføjer, at hensynet til besætningens sikkerhed er en vigtig faktor ved design af menneskelige rumsystemer, som forfatterne ikke tog højde for i deres undersøgelse. "Denne sikkerhedsfaktor kan påvirke resultaterne på begge måder. F.eks. flertrinsløsninger kan tilbyde flere sikre returmuligheder i tilfælde af nødsituationer i parkeringsbanen om månen før nedstigning til overfladen end vores 'vinder, " 1-trinssystemet:enten nedstignings- eller opstigningskøretøjet kan bruges til retur i tilfælde af 3-trins og 2-trins systemer i modsætning til enkelttrinet i 1-trins systemet. 2-trins og 3-trins systemer forventes at være mere komplekse og derfor have større risiko for nedbrud, i modsætning til den mere simple 1-trins løsning. Så der er en afvejning igen, " forklarer Latyshev.

Teamet planlægger at udvide arbejdet i fremtiden, med en omfattende udforskning af systemarkitekturen for hele den udforskningsinfrastruktur, der kræves i fremtidige menneskelige rumflyvningsprogrammer til måneudforskning.