De komende decennia zijn er een aantal missies gepland voor Mars, waaronder voorstellen om astronauten er voor het eerst naartoe te sturen. Dit brengt tal van logistieke en technische uitdagingen met zich mee, variërend van de enorme afstand tot de behoefte aan meer bescherming tegen straling. Tegelijkertijd is er ook de moeilijkheid om op de Rode Planeet te landen, of wat de "Mars Curse" wordt genoemd.
Om de zaken nog ingewikkelder te maken, zullen de omvang en massa van toekomstige missies (vooral ruimtevaartuigen met bemanning) de capaciteit van de huidige entry-, afdalings- en landingstechnologie (EDL) te boven gaan. Om dit aan te pakken, heeft een team van lucht- en ruimtevaartwetenschappers een studie gepubliceerd die laat zien hoe een afweging tussen remkracht op lagere hoogte en vluchtpadhoek ervoor kan zorgen dat zware missies veilig op Mars kunnen landen.
De studie, die onlangs verscheen in de Journal of Spacecraft and Rockets, werd geschreven door Christopher G. Lorenz en Zachary R. Putnam - respectievelijk een onderzoeker bij The Aerospace Corporation en een assistent-professor lucht- en ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Illinois. Samen onderzochten ze verschillende landingsstrategieën om te zien welke de "Mars Curse" zouden kunnen overwinnen.
Simpel gezegd, landen op Mars is een moeilijke zaak en slechts 53% van het ruimtevaartuig dat daar sinds de jaren zestig naartoe is gestuurd, is intact aan de oppervlakte gekomen. Tot op heden was het zwaarste voertuig om met succes op Mars te landen de Nieuwsgierigheid Rover, die 1 ton woog (2.200 lbs). In de toekomst zijn NASA en andere ruimteagentschappen van plan om ladingen te verzenden met massa's van 5 tot 20 ton, wat de conventionele EDL-strategieën te boven gaat.
In de meeste gevallen bestaat dit uit een voertuig dat de atmosfeer van Mars binnenkomt met hypersonische snelheden tot Mach 30 en vervolgens snel vertraagt als gevolg van luchtwrijving. Zodra ze Mach 3 bereiken, zetten ze een parachute in en schieten hun retrorockets af om verder te vertragen. Het probleem met zwaardere missies is volgens Putnam dat parachutesystemen niet goed schalen met toenemende voertuigmassa.
Helaas verbranden retrorocket-motoren veel drijfgas, wat bijdraagt aan de totale voertuigmassa - wat betekent dat zwaardere lanceervoertuigen nodig zijn en missies uiteindelijk meer kosten. Bovendien, hoe meer drijfgas een ruimtevaartuig nodig heeft, hoe minder volume het kan overhouden voor lading, vracht en bemanning. Zoals Prof. Putman uitlegde in een persbericht van Illinois Aerospace:
"Het nieuwe idee is om de parachute te elimineren en grotere raketmotoren te gebruiken voor de afdaling ... Als een voertuig hypersonisch vliegt, voordat de raketmotoren worden afgevuurd, wordt er enige lift gegenereerd en kunnen we die lift gebruiken om te sturen. Als we het zwaartepunt verplaatsen zodat het niet gelijkmatig is verpakt, maar aan één kant zwaarder, vliegt het onder een andere hoek. "
Om te beginnen onderzochten Lorenz en Putnam het drukverschil dat optreedt rond een voertuig wanneer het de atmosfeer van Mars raakt. In principe is de stroming rond het voertuig aan de bovenzijde anders dan aan de onderzijde van het voertuig, waardoor lift in één richting ontstaat. Dit leven kan worden gebruikt om het voertuig te sturen terwijl het vertraagt door de atmosfeer.
Zoals Putnam uitlegde, zou het vaartuig op dit punt zijn retrorockets kunnen gebruiken om het vaartuig nauwkeurig te laten landen, of het zou zijn drijfgas kunnen behouden om de grootst mogelijke massa te landen - of er zou een evenwicht tussen beide kunnen worden gevonden. Uiteindelijk is het een kwestie van op welke hoogte je de raketten afvuurt. Zoals Putnam het uitdrukte:
"De vraag is, als we weten dat we de afdaalmotoren gaan aansteken op bijvoorbeeld Mach 3, hoe moeten we dan het voertuig aerodynamisch sturen in het hypersonische regime, zodat we de minimale hoeveelheid drijfgas gebruiken en de massa van de laadvermogen dat we kunnen landen? Om de hoeveelheid massa te maximaliseren die we op het oppervlak kunnen [landen], is de hoogte waarop je je afdaalmotoren ontsteekt belangrijk, maar ook de hoek die je snelheidsvector maakt met de horizon - hoe steil je binnenkomt. "
Hierin ligt een ander belangrijk aspect van de studie, waarbij Lorenz en Putnam hebben onderzocht hoe de liftvector het beste kan worden gebruikt. Wat ze ontdekten was dat het het beste was om de atmosfeer van Mars binnen te gaan met de liftvector naar beneden gericht zodat het voertuig duikt, en dan (afhankelijk van tijd en snelheid) de lift omhoog te schakelen en mee te vliegen op lage hoogte.
"Hierdoor kan het voertuig meer tijd besteden aan laagvliegen waar de atmosferische dichtheid hoger is", zegt Putnam. "Dit verhoogt de weerstand en vermindert de hoeveelheid energie die moet worden verwijderd door de afdalingsmotoren."
De conclusies van deze studie zouden toekomstige missies naar Mars kunnen informeren, vooral als het gaat om zware ruimtevaartuigen die vracht en bemanningen vervoeren. Hoewel deze EDL-strategie voor een zenuwslopende landing zou zorgen, is de kans dat de bemanning veilig landt en niet bezwijkt voor de "Grote Galactische Ghoul".
Buiten Mars kan deze studie implicaties hebben voor de landing op andere zonnelichamen met een dunne atmosfeer. Uiteindelijk zou de strategie van Lorenz en Putnam van een hypersonische ingang en een lagere stuwkracht op lagere hoogte kunnen helpen bij missies met bemanning naar allerlei hemellichamen.
