Планер для Марса

Но зачем?

Актуальная задача для космонавтики в ближней и среднесрочной перспективе - это доставка полезного груза на Марс (желательно - адресная, с точностью в сотни и десятки метров). Роверы, автоматические станции, дроны, колонисты. И эта задача уже неоднократно решалась, причем с активным использованием разреженной атмосферы Марса, но размеры эллипсов рассеивания для традиционных капсульных спускаемых аппаратов все еще имеют порядок десяти км (для Perseverance - 7,7 км * 6,6 км)

На примерах предложенной в 90-ых годах прошлого века миссии AEOLUS и создаваемого уже в наше время, наши дни SpaceX-ом "Старшипа" показаны возможности аэродинамического маневрирования в атмосфере Марса и особенности, которые более слабая гравитация и разреженная атмосфера Марса накладывают на облик КА, предназначенных для маневра аэрозахвата и управляемого гиперзвукового полета в атмосфере Марса.

Особенности атмосферы

Во-первых, атмосфера Марса намного менее плотная, чем земная. Но и на Земле аэродинамическое торможение начинается на высоте ~80 км, где плотность воздуха составляет всего 0,00002 кг/м³ (в скоростном напоре скорость в квадрате побеждает плотность)

Если воспользоваться представленной центром Гленна НАСА моделью марсианской атмосферы, то:

1. Можно выделить коридор ~ 15 - 45 км, где плотности соответствуют "земному" коридору аэродинамического торможения ~ 40 - 60 км

2. Плотность атмосферы в более слабом гравитационном колодце убывает с высотой не так быстро, атмосфера Марса действительно подходит для торможения с параболических скоростей

3. В начальном этапе аэроторможения можно попробовать полет с отрицательной подъемной силой, чтобы компенсировать слабую гравитацию Марса

Самый интересный случай - это аэроторможение в вершине переходной "гомановской" траектории.

Высота входа в верхние слои атмосферы: 125 км;

Скорость: 6,1 - 7 км/с;

Угол снижения: 10 - 15 градусов.

AEOLUS

Миссия AEOLUS была предложена в начале 90-ых годов XX века специалистами NASA для доставки нескольких миниатюрных метеостанций и роверов сразу в нескольких удаленных друг от друга регионах.

Средством доставки должен был выступить КА оригинальной компоновки по схеме "оперенный конус" с пусковыми трубками в хвостовом отсеке, из которых при пролете над выбранными планетологами целями должны были отстреливаться капсулы-"спасательные жилеты" с полезной нагрузкой внутри.

Слайды. Их много

Высокоточная доставка НАУКИ! на поверхность берет начало из миссии предшественника AEOLUS-а - SWERVE, высокоточного боевого блока для МБР, которым предполагалось поражать советские пусковые установки в районах базирования, защищенных ПРО. В оригинале оперенный доставщик (не)МИРНОГО АТОМА должен был отклониться от баллистической траектории с высоты ~ 30 - 40 км, тем самым обманув ожидания систем ПВО/ПРО (которые готовились поражать цели на основе пролонгированных баллистических траекторий) и перейти на краткий (~ 100 км) участок аэродинамического полета.

Похожую схему оперенного конуса использовал и самонаводящийся блок ракеты Pershing-2.

Однако "холодная" война закончилась, и компания SANDIA предоставила свое детище NASA. Проведенные работы показали, что AEOLUS вполне способен погасить параболическую скорость и совершить длительный (~ 12000 км) гиперзвуковой полет в марсианской атмосфере. Попытаемся повторить расчеты НАСА, а заодно взглянем на особенности аэрозахвата.

Аэродинамика AEOLUS

Предварительная оценка показала, что вытянутый (относительное удлинение 5,5) оперенный конус действительно имеет высокое аэродинамическое качество (~ 2,1 - 2,2) и небольшой коэффициент лобового сопротивления (~ 0,09 - 0,12). Баллистический коэффициент AEOLUS составляет ~ 6360 кг / м². Маневрирование в путевом канале позволяет отклониться в боковом канале от начального курса на 1900 км.

Из-за большого баллистического коэффициента AEOLUS рассеивает кинетическую энергию медленно, и вход в плотные слои атмосферы с постоянным углом атаки приводит к отскоку с переходом на высокоэллиптическую орбиту, что приемлемо для беспилотной миссии, но нежелательно для пилотируемой. Эту проблему можно решить знакопеременным маневром в плоскости тангажа (чтобы "средняя" подъемная сила была равна нулю)

Траектория AEOLUS

Траектория AEOLUS-а на участках торможения и основного полета

Основной вывод - аэроторможение в атмосфере Марса вполне реально.

Из-за большого баллистического коэффициента AEOLUS начинает тормозиться только на малых высотах ( порядка 20 км и ниже). Что приводит к перегрузкам, недопустимым в пилотируемой миссии

Судя по отскоку "низэнько-низэнько", если чуть поменять закон управления на участке гашения скорости, то можно также выйти на глиссирующую траекторию по Зенгеру или перейти на промежуточную эллиптическую орбиту.

STARSHIP

AELOUS - красивая идея, но он был задуман тридцать лет назад и не воплотился в железе до сих пор. Однако у нас есть Starship, который может быть завершен в ближайшие 5-ть лет. И посмотреть на его возможности было бы интересно.

Аэродинамика Starship

Starship по своим схемным решениям радикально отличается от AEOLUS. Во-первых - затупленный носовой отсек, создающий достаточно большое лобовое сопротивление. Во-вторых - развитые аэродинамические поверхности (тоже с сильно притупленными передними кромками).

За счет переднего горизонтального оперения и крыла Starship тоже обладает достаточно высоким аэродинамическим качеством (1,62), но его баллистический коэффициент в разы ниже ( 2625 кг/м²).

Максимальное аэродинамическое качество Старшипа реализуется на большем угле атаки (~ 17 градусов)

Для гашения параболической скорости в сценарии Старшипа войдем в атмосферу плашмя, с углом атаки в 75 градусов (подъемная сила на таких углах атаки начинает падать, и мы избежим "отскока" от атмосферы).

Траектория Старшипа

Д

Большее лобовое сопротивление и меньшее аэродинамическое качество несколько уменьшают дальность полета Старшипа и его боковой маневр, но летные качества все равно высокие. Максимальная дальность - 9270 км, боковой маневр - 630 км.

Сравнение AEOLUS и Starship

После всего number crunching можно сделать несколько выводов

1. Планирующий аэродинамический полет в атмосфере Марса действительно возможен

2. Аэроторможение в атмосфере Марса вполне реально

3. Для эффективного аэроторможения нужно сочетание высокого аэродинамического качества (для дальности) и низкого, а лучше - управляемого баллистического коэффициента (чтобы торможение плавно начиналось еще в верхних слоях атмосферы, и не превращалось в удар кувалдой с мощью 25 "же" на высоте 10 км)

4. Управляя интенсивностью торможения на участке торможения с параболической скорости, можно выйти на промежуточную орбиту, с которой затем можно спуститься в любую точку Марса

5. Перспективным решением в конструкции "марсианского" транспорта может быть изменяемая геометрия - поворотные и выдвижные консоли крыла, раскрываемые тормозные щитки

6. Для одноразовых десантных модулей - баллюты и надувные термощиты

7. Node.js - вполне себе инструмент для Rocket Science

На всякий случай - предыдущие заметки про программу расчета траекторий и программу расчета аэродинамики. Ссылки на соответствующие репозитории прилагаются