I de kommende årtier er der planlagt et antal missioner til Mars, der inkluderer forslag om at sende astronauter der for første gang. Dette giver adskillige logistiske og tekniske udfordringer, lige fra den rene afstand til behovet for øget beskyttelse mod stråling. På samme tid er der også vanskeligheden ved at lande på den røde planet, eller hvad der kaldes ”Mars Curse”.
For at komplicere sager mere, vil størrelsen og massen af fremtidige missioner (især bemandet rumfartøj) overstige kapaciteten til nuværende indrejse, nedstigning og landing (EDL) teknologi. For at tackle dette frigav et team af rumfarlige videnskabsfolk en undersøgelse, der viser, hvordan en afveksling mellem nederste højde bremsekraft og flyvevejsvinkel kunne give mulighed for tunge missioner for sikkert at lande på Mars.
Undersøgelsen, der for nylig dukkede op i Journal of Spacecraft and Rockets, er forfatter af Christopher G. Lorenz og Zachary R. Putnam - en forsker med henholdsvis The Aerospace Corporation og en lektor i luftfartsteknologi ved University of Illinois. Sammen undersøgte de forskellige landingsstrategier for at se, hvilke der kunne overvinde "Mars Curse".
Kort sagt, at landing på Mars er en vanskelig forretning, og kun 53% af rumfartøjer, der er sendt der siden 1960'erne, har gjort det til overfladen intakt. Hidtil var det tyngste køretøj, der lykkedes at lande på Mars Nysgerrighed rover, som vejede 1 ton (2200 lbs). I fremtiden planlægger NASA og andre rumfartsbureauer at sende nyttelaster deres med masser fra 5 til 20 ton, hvilket er ud over konventionelle EDL-strategier.
I de fleste tilfælde består dette af et køretøj, der trænger ind i den Martiske atmosfære i hypersonic hastigheder på op til Mach 30 og derefter bremses hurtigt på grund af luftfriktion. Når de når Mach 3, udsætter de en faldskærm og fyrer deres retrorockets for at bremse yderligere. Problemet med tungere opgaver ifølge Putnam er, at faldskærmsystemer ikke skalerer godt med stigende køretøjsmasse.
Desværre brænder retrorocket-motorer meget drivmiddel, hvilket øger den samlede køretøjsmasse - hvilket betyder, at der er behov for tungere lanceringsbiler, og missioner ender med at koste mere. Derudover, jo mere drivmiddel et rumfartøj har brug for, jo mindre volumen kan det spare til nyttelast, last og besætning. Som professor Putman forklarede i en pressemeddelelse fra Illinois Aerospace:
”Den nye idé er at eliminere faldskærmen og bruge større raketmotorer til nedstigning… Når et køretøj flyver hypersonisk, inden raketmotorerne fyres, genereres der noget lift, og vi kan bruge denne lift til styring. Hvis vi bevæger tyngdepunktet, så det ikke er ensartet pakket, men tungere på den ene side, vil det flyve i en anden vinkel. ”
For det første undersøgte Lorenz og Putnam trykforskellen, der opstår omkring et køretøj, når det rammer Mars 'atmosfære. Grundlæggende er strømmen rundt om køretøjet anderledes på toppen end på bunden af køretøjet, hvilket skaber løft i en retning. Dette liv kan bruges til at styre køretøjet, når det bremser ned gennem atmosfæren.
Som Putnam forklarede, kunne håndværket enten bruge sine retrorockets på dette tidspunkt til at lande fartøjet nøjagtigt, eller det kunne bevare sin drivmiddel til at lande den største mængde masse, der var mulig - eller der kunne opnås en balance mellem de to. I sidste ende er det et spørgsmål om i hvilken højde du skyder raketterne. Som Putnam udtrykte det:
”Spørgsmålet er, hvis vi ved, at vi tænder nedstigningsmotorerne ved, siger Mach 3, hvordan skal vi styre køretøjet aerodynamisk i det hypersoniske regime, så vi bruger den mindste mængde drivmiddel og maksimerer massen af nyttelast, som vi kan lande? For at maksimere mængden af masse, vi kan [lande] på overfladen, er højden, hvor du antænder dine afstamningsmotorer, vigtig, men også den vinkel, din hastighedsvektor gør med horisonten - hvor stejl du kommer ind. ”
Heri ligger et andet vigtigt aspekt af undersøgelsen, hvor Lorenz og Putnam vurderede, hvordan man bedst kan benytte liftvektoren. Hvad de fandt, var, at det var bedst at komme ind i Mars-atmosfæren med liftvektoren peget ned, så køretøjet dykker, og derefter (afhængigt af tid og hastighed) at skifte løft op og flyve med i lav højde.
”Dette gør det muligt for køretøjet at bruge mere tid på at flyve lavt, hvor atmosfæretætheden er højere,” sagde Putnam. "Dette øger trækningen og reducerer den mængde energi, der skal fjernes af afstamningsmotorerne."
Konklusionerne fra denne undersøgelse kunne informere fremtidige missioner til Mars, især hvad angår tungt rumfartøj, der transporterer last og besætninger. Mens denne EDL-strategi ville skabe en mere nervepirrende landing, er oddsene for, at besætningerne lander sikkert og ikke bukker under for ”Great Galactic Ghoul”.
Ud over Mars kunne denne undersøgelse få konsekvenser for landing på andre solkropper, der har tynde atmosfærer. I sidste ende kunne Lorenz og Putnams strategi om en hypersonisk indgang og en bremsekraft i lavere højde hjælpe med besætningsopgaver til alle slags himmellegemer.
