Марсоход Curiosity, весом менее тонны, является самым массивным космическим аппаратом, совершившим успешную посадку на марсианскую поверхность. Для реализации более масштабных миссий на Красную планету, в том числе с участием людей, потребуются более тяжелые корабли — массой от пяти до 20 тонн — и новая технология посадки.
Приземление космического аппарата на поверхность Марса — чрезвычайно сложная и опасная задача. Полезная нагрузка достигает гиперзвуковых скоростей и подвергается сильному нагреву при входе в марсианскую атмосферу, эти моменты ученые часто называют «семь минут ужаса». Многие аппараты и зонды используют большие парашюты при посадке, однако приземление более тяжелых космических кораблей на Красную планету, например, с экипажем из людей, порождает новые инженерные вызовы.
«Парашютные системы, к сожалению, не подходят для спуска более тяжелых транспортных средств. В связи с этим, мы предлагаем отказаться от использования парашюта и перейти к применению более мощных ракетных двигателей для снижения скорости», — утверждает доцент кафедры аэрокосмических технологий Иллинойского университета Зак Патнэм (Zach Putnam). Статья Патнэма и его коллег об оптимизации траекторий, которые позволят безопасно приземляться на Марс, опубликована в Journal of Spacecraft and Rockets.
В области создания крупных ракет существует дополнительная проблема, обусловленная ограниченностью полезного объема, который уходит на резервуары с дополнительным ракетным топливом: это пространство можно использовать для научных приборов или пассажиров.
К счастью, ученые находятся на пороге решения этой задачи: предварительно рассчитанные траектории способны снизить необходимость в использовании громоздких парашютов или больших топливных баков для запуска ракеты системы спуска. Для этого космический аппарат должен нырнуть вниз, а затем повернуть нос в нужное время, чтобы пролететь над марсианской поверхностью на небольшой высоте.
По мнению Патнема, при достижении космическим аппаратом гиперзвуковой скорости, перед включением ракетных двигателей возникает подъемная сила, которую можно использовать для его управления. Если сместить центр тяжести, сделав одну сторону аппарата более тяжелой, он сможет полететь под другим углом. Исследователь объяснил, что поток вокруг аппарата отличается сверху и снизу, что создает перепад давления, а поскольку вектор движения направлен в одну сторону, его можно использовать для управления кораблем по мере его замедления в атмосфере.
«По словам ученого, это даст возможность кораблю дольше находиться на меньшей высоте, где плотность атмосферы больше, что приведет к увеличению сопротивления и снижению энергопотребления двигателей системы спуска.