Художественное видение космического корабля, применяющего ретропульсию для управления
Самым тяжелым посадочным транспортным средством на Марсе стал ровер Curiosity (1 метрическая тонна). Но в будущем для колонизации потребуется отправлять намного больше груза в диапазоне 5-20 тонн. Чтобы выполнять безопасные посадки, нужно понять, как управлять большими массами.
Обычно транспортное средство входит в марсианскую атмосферу на гиперзвуковых скоростях (около 30 Мах), быстро замедляется, разворачивает парашют и активирует ракетные двигатели или воздушные подушки.
К сожалению, парашютные системы плохо поддаются масштабированию при увеличении массы аппарата. Поэтому ученые хотят исключить парашют и задействовать более крупные ракетные двигатели для снижения.
Когда посадочный аппарат замедлится до 3 Мах, реактивные двигатели активируются в противоположном направлении, чтобы притормозить транспортное средство и выполнить управляемую посадку. Беда в том, что при этом сжигается огромное количество топлива. Пропеллент увеличивает массу аппарата, из-за чего сильно растет стоимость миссии. А ведь каждый килограмм топлива отнимает эту массу у научных инструментов и места экипажа.
Когда аппарат летит на гиперзвуковой скорости, перед запуском ракетных двигателей создается определенный подъем, который можно использовать для управления. Если переместить центр тяжести так, чтобы он не был равномерным, а тяжелее с одной стороны, то можно направить полет под другим углом.
Исследователи говорят, что поток вокруг аппарата отличается сверху и внизу, из-за чего возникает дисбаланс и перепад давления. При входе, спуске и посадке возникает возможность управлять транспортом. Но, если собираемся запускать двигатели на 3 Мах, то как мы должны аэродинамически управлять аппаратом в гиперзвуковом режиме, чтобы задействовать минимальное количество топлива и максимизировать массу полезной нагрузки?
В этом вопросе важна высота, на которой запускаются спускающие двигатели, а также угол, который вектор скорости создает с горизонтом. В исследовании рассматриваются оптимальные методы управления для поиска стратегии безопасной посадки в гиперзвуковом режиме в различных межпланетных условиях посадки.
Анализы показывает, что для ракетного топлива оптимальным будет вход в атмосферу с вектором подъема, направленным вниз, из-за чего аппарат как бы ныряет. Затем в определенный момент (основывается на времени или скорости) нужно переключиться на подъем, чтобы аппарат двигался вперед на небольшой высоте. Это позволяет провести транспорту больше времени в полете на низкой высоте, где плотность атмосферного слоя выше. За счет этого возрастает сопротивление, сокращая количество потраченной энергии.