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:
Можно выделить коридор ~ 15 - 45 км, где плотности соответствуют "земному" коридору аэродинамического торможения ~ 40 - 60 км
Плотность атмосферы в более слабом гравитационном колодце убывает с высотой не так быстро, атмосфера Марса действительно подходит для торможения с параболических скоростей
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
Планирующий аэродинамический полет в атмосфере Марса действительно возможен
Аэроторможение в атмосфере Марса вполне реально
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)
Управляя интенсивностью торможения на участке торможения с параболической скорости, можно выйти на промежуточную орбиту, с которой затем можно спуститься в любую точку Марса
Перспективным решением в конструкции "марсианского" транспорта может быть изменяемая геометрия - поворотные и выдвижные консоли крыла, раскрываемые тормозные щитки
Для одноразовых десантных модулей - баллюты и надувные термощиты
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
SomaTayron
«управляемого гиперзвукового полета в атмосфере Марса»
На Марсе скорость звука раза в 1.5 меньше, у поверхности всего 240 м/с, а на входе менее 200. Так что «гиперзвукового» тут вызывает определенную двойственность — даже обычный земной сверхзвук для Марса уже «гипер».
the_stucky Автор
Да, именно. Малые абсолютные скорости, но высокие числа Маха и соответствующие особенности обтекания (подъемная сила определяется местными углами атаки, слабое взаимодействие между фюзеляжем и крылом). Оптимальной формой «десантного катера» для таких условий вполне может быть цилиндром с притупленной конической носовой частью, уплощенной нижней поверхностью и хвостовым оперением. Ну и о «самолетной» посадке можно забыть