Самым тяжелым космическим аппаратом, доставленным на Марс, является марсоход «Кьюриосити». Вес автономной научной лаборатории составляет около одной тонны. Отправка более амбициозных миссий на Красную планету, а в перспективе и людей, потребует использования более тяжелых космических аппаратов весом от 5 до 20 тонн. Для этого необходимо разработать новые методы посадки. Цель недавнего исследования команды ученых из Иллинойского университета, пресс-релиз которого опубликовал EurekAlert!, заключалась как раз именно в этом.

Обычно, когда аппарат входит в атмосферу Марса на гиперзвуковой скорости около 30 Махов, он должен быстро замедлиться, раскрыв парашют и задействовав ракетные двигатели или воздушные подушки, чтобы завершить посадку.

«К сожалению, парашютные системы мало предназначены для более массивных транспортных средств. Наша идея состоит в том, чтобы отказаться от парашюта и использовать более крупные ракетные двигатели для спуска», — комментирует доцент кафедры аэрокосмических технологий Иллинойского университета Зак Патнэм.

По словам Патнэма, когда спускаемый модуль замедляется до скорости 3 Махов, должны включиться электрические двигатели, которые создадут обратную тягу и замедлят аппарат для безопасной посадки. Проблема в том, что такой маневр сжигает много топлива. Топливо, как правило, составляющее основную часть массы аппарата, увеличивают стоимость всего запуска. Каждый килограмм топлива – это минус килограмм полезной нагрузки: научных инструментов, оборудования, людей и так далее.

«Когда космический аппарат достигает гиперзвуковой скорости, перед запуском ракетных двигателей возникает небольшой объем подъемной силы, которую можно использовать для управления аппаратом, – говорит Пантэм. – Если мы сдвинем центр тяжести так, чтобы он сместился к одной из сторон, аппарат полетит под другим углом».

Пантэм объясняет, что потоки вокруг аппарата в передней и задней части отличаются друг от друга, что создает дисбаланс, разницу в давлении. Так как подъемная сила направлена в одну сторону, ее можно использовать для направления аппарата во время спуска через атмосферу.

«Во время входа в атмосферу, спуска и посадки у нас имеется некоторая возможность управления аппаратом. Мы можем менять его направление. При гиперзвуковых скоростях это управление может осуществляться за счет подъемной силы, которая возникает с запуском тормозных двигателей, сжигающих определенный объем топлива. Управление запуском двигателей позволяет осуществить очень точную посадку. Если нужно посадить очень большой аппарат, то о точности стоит забыть, в противном случае придется сжечь все топливо. Но можно найти и баланс между этими двумя способами».

«Предположим, что мы хотим снизить скорость спуска до 3 Махов. Как именно мы должны аэродинамически управлять им в гиперзвуковом режиме, чтобы минимизировать использование топлива и при этом максимизировать массу возможной полезной нагрузки? Чтобы максимизировать объем массы, которую мы сможем спустить на поверхность, важно учесть высоту, при которой необходимо будет запустить двигатели спускаемого аппарата, а также угол между вектором скорости и линией горизонта», — добавляет Пантэм.

Расчеты показали, как наилучшим образом использовать вектор подъемной силы и контролировать спуск на планету в зависимости от характеристик ракеты и высоты полета, чтобы максимизировать спускаемую массу.

«Оказалось, что с точки зрения расхода топлива наиболее оптимальным будет выполнять вход в атмосферу так, чтобы вектор подъемной силы был направлен вниз, как будто ракета ныряет. А затем в нужный момент, зависящий от скорости и времени, она должна развернуться вверх и лететь на низкой высоте. Чем больше времени аппарат проведет в более плотной атмосфере, тем сильнее и дольше будет действовать на него аэродинамическое сопротивление и тем меньше потребуется топлива для посадки», — говорит Пантэм.