Nei prossimi decenni, sono previste una serie di missioni per Marte, tra cui proposte per inviare gli astronauti lì per la prima volta. Ciò presenta numerose sfide logistiche e tecniche, che vanno dalla semplice distanza alla necessità di una maggiore protezione dalle radiazioni. Allo stesso tempo, c'è anche la difficoltà di atterrare sul Pianeta Rosso, o quella che viene definita la "Maledizione di Marte".
A complicare ulteriormente le cose, le dimensioni e la massa delle future missioni (in particolare i veicoli spaziali con equipaggio) saranno al di là delle capacità della tecnologia attuale di entrata, discesa e atterraggio (EDL). Per ovviare a questo, un team di scienziati aerospaziali ha pubblicato uno studio che mostra come un compromesso tra la spinta di frenata a bassa quota e l'angolo del percorso di volo potrebbe consentire alle missioni pesanti di atterrare in sicurezza su Marte.
Lo studio, che è apparso di recente nel Diario di veicoli spaziali e missili, è stato scritto da Christopher G. Lorenz e Zachary R. Putnam - un ricercatore di The Aerospace Corporation e un assistente professore di ingegneria aerospaziale all'Università dell'Illinois, rispettivamente. Insieme, hanno studiato diverse strategie di sbarco per vedere quale potrebbe superare la "Maledizione di Marte".
In parole povere, l'atterraggio su Marte è un affare difficile e solo il 53% dei veicoli spaziali spediti lì dagli anni '60 lo ha reso in superficie intatto. Fino ad oggi, il veicolo più pesante per atterrare con successo su Marte era il Curiosità rover, che pesava 1 tonnellata (2.200 libbre). In futuro, la NASA e altre agenzie spaziali hanno in programma di inviare carichi utili con masse comprese tra 5 e 20 tonnellate, che vanno oltre le strategie EDL convenzionali.
Nella maggior parte dei casi, questo consiste in un veicolo che entra nell'atmosfera marziana a velocità ipersoniche fino a Mach 30 e quindi rallenta rapidamente a causa dell'attrito dell'aria. Una volta raggiunti Mach 3, schierano un paracadute e sparano i loro retrorocket per rallentare ulteriormente. Il problema con le missioni più pesanti, secondo Putnam, è che i sistemi di paracadute non si adattano bene all'aumento della massa del veicolo.
Sfortunatamente, i motori retrorocket bruciano molto propellente, il che aumenta la massa complessiva del veicolo, il che significa che sono necessari veicoli di lancio più pesanti e le missioni finiscono per costare di più. Inoltre, maggiore è la propulsione di un veicolo spaziale, minore è il volume che può risparmiare per carico utile, carico e personale di bordo. Come ha spiegato il prof. Putman in un comunicato stampa dell'Aerospace dell'Illinois:
"La nuova idea è quella di eliminare il paracadute e utilizzare motori a razzo più grandi per la discesa ... Quando un veicolo vola in modo ipersonico, prima che i motori a razzo vengano generati, viene generato un po 'di ascensore e possiamo usarlo per sterzare. Se spostiamo il baricentro in modo che non sia impacchettato uniformemente, ma più pesante da un lato, volerà con un'angolazione diversa. "
Per cominciare, Lorenz e Putnam hanno studiato il differenziale di pressione che si verifica intorno a un veicolo quando colpisce l'atmosfera di Marte. Fondamentalmente, il flusso attorno al veicolo è diverso nella parte superiore rispetto alla parte inferiore del veicolo, il che crea un sollevamento in una direzione. Questa vita può essere usata per guidare il veicolo mentre decelera attraverso l'atmosfera.
Come spiegato da Putnam, l'imbarcazione potrebbe o usare i suoi retrorocket a questo punto per atterrare accuratamente l'imbarcazione, oppure potrebbe conservare il suo propellente per atterrare la maggior quantità possibile di massa - o potrebbe essere raggiunto un equilibrio tra i due. Alla fine, si tratta di sapere a quale altezza sparate i razzi. Come dice Putnam:
"La domanda è, se sappiamo che accenderemo i motori di discesa su, diciamo, Mach 3, come dovremmo guidare il veicolo aerodinamicamente nel regime ipersonico in modo da utilizzare la quantità minima di propellente e massimizzare la massa del carico utile che possiamo sbarcare? Per massimizzare la quantità di massa che possiamo [atterrare] sulla superficie, l'altitudine alla quale accendi i motori di discesa è importante, ma anche l'angolo che il tuo vettore di velocità fa con l'orizzonte: quanto ripido stai arrivando. "
Qui sta un altro aspetto importante dello studio, in cui Lorenz e Putnam hanno valutato come utilizzare al meglio il vettore di ascensore. Quello che hanno scoperto è che era meglio entrare nell'atmosfera di Marte con il vettore dell'ascensore rivolto verso il basso in modo che il veicolo si stesse tuffando, e quindi (a seconda del tempo e della velocità) per cambiare l'ascensore e volare lungo a bassa quota.
"Ciò consente al veicolo di trascorrere più tempo volando basso dove la densità atmosferica è maggiore", ha detto Putnam. "Ciò aumenta la resistenza, riducendo la quantità di energia che deve essere rimossa dai motori di discesa."
Le conclusioni di questo studio potrebbero informare le future missioni su Marte, in particolare per quanto riguarda i veicoli spaziali pesanti che trasportano merci ed equipaggi. Mentre questa strategia EDL renderebbe un atterraggio più snervante, le probabilità degli equipaggi di atterrare in sicurezza e non soccombere al "Grande Galassia Galattico".
Oltre Marte, questo studio potrebbe avere implicazioni per l'atterraggio su altri corpi solari che hanno atmosfere sottili. In definitiva, la strategia di Lorenz e Putnam di un'entrata ipersonica e una spinta di frenata a bassa quota potrebbe aiutare con missioni con equipaggio su tutti i tipi di corpi celesti.
