Technology

Запропоновано економічний спосіб доставки багатотонних вантажів на Марс

Найважчим космічним апаратом, доставленимна Марс, є марсохід «К'юріосіті». Вага автономної наукової лабораторії становить близько однієї тонни. Відправлення більш амбітних місій на Червону планету, а в перспективі і людей, потребують використання більш важких космічних апаратів вагою від 5 до 20 тонн. Для цього необхідно розробити нові методи посадки. Мета недавнього дослідження команди вчених з університету Ілінойса, прес-реліз якого опублікував EurekAlert !, полягала якраз саме в цьому.

Зазвичай, коли апарат входить в атмосферу Марса нагіперзвукової швидкості близько 30 Махов, він повинен швидко сповільнитися, розкривши парашут і задіявши ракетні двигуни або повітряні подушки, щоб завершити посадку.

«На жаль, парашутні системи малопризначені для більш масивних транспортних засобів. Наша ідея полягає в тому, щоб відмовитися від парашута і використовувати більші ракетні двигуни для спуску », - коментує доцент кафедри аерокосмічних технологій Іллінойського університету Зак Патнем.

За словами Патнема, коли спусковий модульсповільнюється до швидкості 3 Махов, повинні включитися електричні двигуни, які створять зворотну тягу і сповільнять апарат для безпечної посадки. Проблема в тому, що такий маневр спалює багато палива. Паливо, як правило, становить основну частину маси апарату, збільшують вартість всього запуску. Кожен кілограм палива - це мінус кілограм корисного навантаження: наукових інструментів, обладнання, людей і так далі.

«Коли космічний апарат досягаєгіперзвукової швидкості, перед запуском ракетних двигунів виникає невеликий обсяг підйомної сили, яку можна використовувати для управління апаратом, - каже Пантем. - Якщо ми зрушимо центр ваги так, щоб він змістився до однієї зі сторін, апарат полетить під іншим кутом ».

Пантем пояснює, що потоки навколо апарата впередній і задній частині відрізняються один від одного, що створює дисбаланс, різницю в тиску. Так як підйомна сила спрямована в одну сторону, її можна використовувати для спрямування апарату під час спуску через атмосферу.

«Під час входу в атмосферу, спуску і посадки унас є деяка можливість управління апаратом. Ми можемо змінювати його напрямок. При гіперзвукових швидкостях це управління може здійснюватися за рахунок підйомної сили, яка виникає з запуском гальмівних двигунів, що спалюють певний обсяг палива. Управління запуском двигунів дозволяє здійснити дуже точну посадку. Якщо потрібно посадити дуже великий апарат, то про точність варто забути, в іншому випадку доведеться спалити все паливо. Але можна знайти і баланс між цими двома способами ».

«Припустимо, що ми хочемо знизити швидкістьспуску до 3 Махов. Як саме ми повинні аеродинамічний керувати ним в гіперзвуковому режимі, щоб мінімізувати використання палива і при цьому максимізувати масу можливої ​​корисного навантаження? Щоб максимізувати обсяг маси, яку ми зможемо спустити на поверхню, важливо врахувати висоту, при якій необхідно буде запустити двигуни апарату, що спускається, а також кут між вектором швидкості і лінією горизонту », - додає Пантем.

Розрахунки показали, як найкращим чиномвикористовувати вектор підйомної сили і контролювати спуск на планету в залежності від характеристик ракети і висоти польоту, щоб максимізувати спускатися масу.

«Виявилося, що з точки зору витрат паливанайбільш оптимальним буде виконувати вхід в атмосферу так, щоб вектор підйомної сили був спрямований вниз, як ніби ракета пірнає. А потім в потрібний момент, що залежить від швидкості і часу, вона повинна розгорнутися вгору і летіти на низькій висоті. Чим більше часу апарат проведе в більш щільній атмосфері, тим сильніше і довше буде діяти на нього аеродинамічний опір і тим менше буде потрібно палива для посадки », - каже Пантем.

Обговорити висновки дослідження можна в нашому Telegram-чаті.