火星でのより重いペイロード地面を目指して、最後の瞬間に引き上げる

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今後数十年の間に、火星に多くのミッションが計画されています。これには、宇宙飛行士をそこに初めて送るという提案が含まれます。これは、完全な距離から放射線に対する保護の強化の必要性に至るまで、多くのロジスティック上および技術上の課題を提示します。同時に、「火星の呪い」と呼ばれる赤い惑星への着陸の難しさもあります。

問題をさらに複雑にするのは、将来のミッション（特に宇宙船）のサイズと質量が、現在の進入、降下、着陸（EDL）テクノロジーの能力を超えることです。これに対処するために、航空宇宙科学者のチームは、低高度のブレーキ推力と飛行経路の角度との間のトレードオフが重いミッションが火星に安全に着陸することを可能にする方法を示す研究を発表しました。

最近発表された研究 宇宙船とロケットのジャーナルは、クリストファーG.ローレンツとザカリーR.パトナム（それぞれAerospace Corporationの研究者とイリノイ大学の航空宇宙工学の助教授）によって作成されました。彼らは一緒にさまざまな上陸作戦を調査し、「火星の呪い」を克服できる方法を見つけました。

簡単に言えば、火星への着陸は困難なビジネスであり、1960年代以来そこに送られた宇宙船の53％だけが無事に表面に到達しました。今日まで、火星に着陸するのに最も重い車両は 好奇心 ローバー、重量は1メートルトン（2,200ポンド）。将来的に、NASAや他の宇宙機関は、5から20トンの範囲の質量のペイロードを送信することを計画しています。これは、従来のEDL戦略を超えています。

ほとんどの場合、これはマッハ30までの極超音速で火星の大気圏に進入し、空気の摩擦により急速に減速する車両で構成されます。マッハ3に到達すると、パラシュートを展開し、レトロロケットを発射してさらに減速します。パトナムによると、ミッションが重い場合の問題は、パラシュートシステムが車両の質量の増加に対応できないことです。

残念なことに、レトロロケットエンジンは大量の推進剤を燃焼させ、これにより全体の車両質量が増加します。つまり、より重いロケットが必要になり、ミッションのコストが高くなります。さらに、宇宙船が必要とする推進剤が多ければ多いほど、ペイロード、貨物、および乗員のために確保できる容量が少なくなります。 Putman教授がイリノイ航空宇宙プレスリリースで説明したように：

「新しいアイデアは、パラシュートをなくし、降下のためにより大きなロケットエンジンを使用することです...車両が超音速で飛行しているとき、ロケットエンジンが発射される前に、ある程度のリフトが生成され、そのリフトをステアリングに使用できます。重心を移動して、均一にパッケージ化されるのではなく、片側が重くなると、異なる角度で飛行します。」

まず、ローレンツとパトナムは、火星の大気に当たったときに車両の周囲で発生する圧力差を調査しました。基本的に、車両の周囲の流れは、車両の上部と下部で異なり、一方向に揚力を生み出します。この生命は、大気中を減速するときに車両を操縦するために使用できます。

パトナムが説明したように、この機体はこの時点でレトロロケットを使用して機体を正確に着陸させるか、推進剤を節約して可能な限り多くの質量を着陸させるか、または2つのバランスをとることができます。結局、それはあなたがロケットを発射する高度での問題です。パトナムが言ったように：

「問題は、たとえばマッハ3で降下エンジンを点火することがわかっている場合、極超音速領域で車両を空力的に操縦して、最小量の推進剤を使用し、着陸できるペイロード？地面に着陸できる質量の量を最大化するには、降下エンジンを点火する高度が重要ですが、速度ベクトルが地平線となす角度、つまりどれだけ急に進入するかも重要です。」

ここに、研究のもう1つの重要な側面があります。ローレンツとパトナムは、リフトベクトルを最大限に活用する方法を評価しました。彼らが見つけたのは、車両がダイビングするようにリフトベクトルを下に向けて火星の大気に入るのが最善であり、その後（時間と速度に応じて）リフトを上げて低高度で飛行することでした。