In den kommenden Jahrzehnten ist eine Reihe von Missionen für den Mars geplant, darunter Vorschläge, Astronauten zum ersten Mal dorthin zu schicken. Dies stellt zahlreiche logistische und technische Herausforderungen dar, die von der Entfernung bis zur Notwendigkeit eines erhöhten Strahlenschutzes reichen. Gleichzeitig gibt es auch die Schwierigkeit, auf dem Roten Planeten zu landen, oder was als „Marsfluch“ bezeichnet wird.
Um die Sache noch komplizierter zu machen, werden Größe und Masse zukünftiger Missionen (insbesondere Raumschiffe mit Besatzung) die Kapazität der aktuellen EDL-Technologie (Entry, Sinking and Landing) übersteigen. Um dies zu beheben, veröffentlichte ein Team von Luft- und Raumfahrtwissenschaftlern eine Studie, die zeigt, wie ein Kompromiss zwischen Bremsschub in geringerer Höhe und Flugbahnwinkel es schweren Missionen ermöglichen könnte, sicher auf dem Mars zu landen.
Die Studie, die kürzlich in der Zeitschrift für Raumfahrzeuge und Raketen, wurde von Christopher G. Lorenz und Zachary R. Putnam verfasst - einem Forscher bei The Aerospace Corporation und einem Assistenzprofessor für Luft- und Raumfahrttechnik an der University of Illinois. Gemeinsam untersuchten sie verschiedene Landestrategien, um herauszufinden, welche den „Marsfluch“ überwinden könnten.
Einfach ausgedrückt ist die Landung auf dem Mars ein schwieriges Geschäft, und nur 53% der seit den 1960er Jahren dorthin gesendeten Raumschiffe haben es intakt an die Oberfläche geschafft. Bis heute war das schwerste Fahrzeug, das erfolgreich auf dem Mars landete, das Neugierde Rover, der 1 Tonne wog. In Zukunft planen die NASA und andere Weltraumagenturen, Nutzlasten mit Massen von 5 bis 20 Tonnen zu versenden, was über herkömmliche EDL-Strategien hinausgeht.
In den meisten Fällen besteht dies aus einem Fahrzeug, das mit Überschallgeschwindigkeit von bis zu Mach 30 in die Marsatmosphäre einfährt und dann aufgrund von Luftreibung schnell langsamer wird. Sobald sie Mach 3 erreicht haben, setzen sie einen Fallschirm ein und feuern ihre Retrorockets ab, um weiter zu verlangsamen. Das Problem bei schwereren Missionen ist laut Putnam, dass Fallschirmsysteme mit zunehmender Fahrzeugmasse nicht gut skalieren.
Leider verbrennen Retrorocket-Motoren viel Treibmittel, was zur Gesamtmasse des Fahrzeugs beiträgt - was bedeutet, dass schwerere Trägerraketen benötigt werden und Missionen mehr kosten. Je mehr Treibmittel ein Raumschiff benötigt, desto weniger Volumen kann es für Nutzlast, Fracht und Besatzung sparen. Wie Prof. Putman in einer Pressemitteilung von Illinois Aerospace erklärte:
„Die neue Idee ist, den Fallschirm zu beseitigen und größere Raketentriebwerke für den Abstieg zu verwenden. Wenn ein Fahrzeug im Überschallflug fliegt, bevor die Raketentriebwerke abgefeuert werden, wird ein gewisser Auftrieb erzeugt, und wir können diesen Auftrieb zum Lenken verwenden. Wenn wir den Schwerpunkt so verschieben, dass er nicht gleichmäßig verpackt, sondern auf einer Seite schwerer ist, fliegt er in einem anderen Winkel. "
Zunächst untersuchten Lorenz und Putnam den Druckunterschied, der um ein Fahrzeug herum auftritt, wenn es auf die Marsatmosphäre trifft. Grundsätzlich ist die Strömung um das Fahrzeug oben anders als unten am Fahrzeug, wodurch ein Auftrieb in eine Richtung erzeugt wird. Diese Lebensdauer kann genutzt werden, um das Fahrzeug beim Abbremsen durch die Atmosphäre zu steuern.
Wie Putnam erklärte, könnte das Fahrzeug entweder seine Retrorockets an diesem Punkt verwenden, um das Fahrzeug genau zu landen, oder es könnte sein Treibmittel konservieren, um die größtmögliche Menge an Masse zu landen - oder es könnte ein Gleichgewicht zwischen beiden hergestellt werden. Am Ende geht es darum, in welcher Höhe Sie die Raketen abfeuern. Wie Putnam es ausdrückte:
„Die Frage ist, wenn wir wissen, dass wir die Abstiegsmotoren beispielsweise bei Mach 3 anzünden werden, wie wir das Fahrzeug im Hyperschallbereich aerodynamisch steuern sollen, damit wir die minimale Menge an Treibmittel verwenden und die Masse des Treibmittels maximieren Nutzlast, die wir landen können? Um die Menge an Masse zu maximieren, die wir auf der Oberfläche [landen] können, ist die Höhe, in der Sie Ihre Abstiegsmotoren zünden, wichtig, aber auch der Winkel, den Ihr Geschwindigkeitsvektor zum Horizont bildet - wie steil Sie einfahren. "
Hierin liegt ein weiterer wichtiger Aspekt der Studie, in der Lorenz und Putnam beurteilten, wie der Auftriebsvektor am besten genutzt werden kann. Was sie fanden, war, dass es am besten war, die Marsatmosphäre mit dem Auftriebsvektor nach unten zu betreten, damit das Fahrzeug taucht, und dann (abhängig von Zeit und Geschwindigkeit) den Auftrieb hochzuschalten und in geringer Höhe mitzufliegen.
"Dadurch kann das Fahrzeug mehr Zeit mit Tiefflügen verbringen, wenn die atmosphärische Dichte höher ist", sagte Putnam. "Dies erhöht den Luftwiderstand und verringert die Energiemenge, die von den Abstiegsmotoren entfernt werden muss."
Die Schlussfolgerungen dieser Studie könnten künftige Missionen zum Mars beeinflussen, insbesondere wenn es um schwere Raumschiffe geht, die Fracht und Besatzungen transportieren. Während diese EDL-Strategie zu einer nervenaufreibenderen Landung führen würde, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass die Besatzungen sicher landen und nicht dem „Großen Galaktischen Ghul“ erliegen.
Jenseits des Mars könnte diese Studie Auswirkungen auf die Landung auf anderen Sonnenkörpern mit dünner Atmosphäre haben. Letztendlich könnte Lorenz und Putnams Strategie eines Hyperschalleintritts und eines Bremsschubs in geringerer Höhe bei Besatzungsmissionen zu allen Arten von Himmelskörpern helfen.
