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.
![Принципиальная схема миссии AEOLUS. С борта активно маневрирующего планера на всем протяжении полета сбрасываются метеостанции и мини-роверы Принципиальная схема миссии AEOLUS. С борта активно маневрирующего планера на всем протяжении полета сбрасываются метеостанции и мини-роверы](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/c51/e01/6cf/c51e016cf77d64eb4739193f6b2eb099.png)
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.
![Миниатюрный (5 кг, 40см * 20 см) ровер, доставляемый AEOLUSом в амортизированном контейнере Миниатюрный (5 кг, 40см * 20 см) ровер, доставляемый AEOLUSом в амортизированном контейнере](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/ded/106/8c5/ded1068c584a3a8e06919ca7ee5e4234.png)
Слайды. Их много
![AEOLUS в полетной конфигурации (с небольшой маневровой ДУ на хвостовом отсеке), полупогруженный в цилиндрический отсек, несущий на себе солнечные батареи AEOLUS в полетной конфигурации (с небольшой маневровой ДУ на хвостовом отсеке), полупогруженный в цилиндрический отсек, несущий на себе солнечные батареи](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/d61/68a/3a6/d6168a3a6734596e195993240220c015.png)
![Разрез AEOLUSа. Внутри хвостового отсека установлен радар с синтезируемой апертурой и револьверная установка для отстрела полезной нагрузки Разрез AEOLUSа. Внутри хвостового отсека установлен радар с синтезируемой апертурой и револьверная установка для отстрела полезной нагрузки](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/d58/b0c/6d0/d58b0c6d07be324473e4689b57a09a15.png)
![SWERVE - предшественник AEOLUS в демонстрационном зале компании SANDIA SWERVE - предшественник AEOLUS в демонстрационном зале компании SANDIA](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/7d2/38a/44e/7d238a44e63be84ec5da6481f8630859.jpg)
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.
![Першинг-2. Оружие холодной войны, сочетавшее аэродинамический маневр с наведением по карте местности. Возможный прототип SWERVE Першинг-2. Оружие холодной войны, сочетавшее аэродинамический маневр с наведением по карте местности. Возможный прототип SWERVE](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/d3a/5e7/f0c/d3a5e7f0c304bbe4611b2581036af706.jpg)
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
![Трехмерка AEOLUS, которую скормили программе для расчета аэродинамики КА из предыдущей статьи Трехмерка AEOLUS, которую скормили программе для расчета аэродинамики КА из предыдущей статьи](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/c22/5b8/2bf/c225b82bf1e300aad4de32f3381e8f38.gif)
![Аэродинамическое качество AEOLUS Аэродинамическое качество AEOLUS](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/e19/18e/26b/e1918e26b5e4a220cfa0cd18cd1809a5.png)
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
![Участок торможения до околокруговой скорости
Красный график - перегрузка с пиком в 25g в районе 90-ой секунды Участок торможения до околокруговой скорости
Красный график - перегрузка с пиком в 25g в районе 90-ой секунды](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/573/ec2/024/573ec202430d7a79835bdcb5302ab8fd.png)
![Планирование AEOLUS в атмосфере Марса. Подобрать управление, одновременно гасящее параболическую скорость и переводящее нас в коридор высоты 20 км без "отскока" не удалось, но дальность в 10860 км была реализована Планирование AEOLUS в атмосфере Марса. Подобрать управление, одновременно гасящее параболическую скорость и переводящее нас в коридор высоты 20 км без "отскока" не удалось, но дальность в 10860 км была реализована](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/653/e4a/9a4/653e4a9a4ad8146b352976688a96f8ba.png)
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
![Старшип, тормозящий пузиком поперек потока. Материалы everydayastronaut.com Старшип, тормозящий пузиком поперек потока. Материалы everydayastronaut.com](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/31b/f04/a79/31bf04a7925c34c2f4a6309c830dd385.png)
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
![Модель "Старшипа" на фоне рефов от Neopork Модель "Старшипа" на фоне рефов от Neopork](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/73e/6fd/a56/73e6fda56ae23f5b5e320b34beaa15da.png)
![Аэродинамическое качество Старшипа для малых (Мах 4) и высоких (Мах 20) скоростей Аэродинамическое качество Старшипа для малых (Мах 4) и высоких (Мах 20) скоростей](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/12b/c4f/634/12bc4f634701d53188dd71d3fd2d8957.png)
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
![Торможение "объемного" Старшипа начинается намного раньше AEOLUSа, с ~ 70 км.
Перегрузка не превышает 4 "g". Торможение "объемного" Старшипа начинается намного раньше AEOLUSа, с ~ 70 км.
Перегрузка не превышает 4 "g".](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/f23/b3f/b46/f23b3fb46cfc068d067a3103b0ea0e58.png)
![Вся траектория Старшипа от входа в атмосферу Марса до приземления Вся траектория Старшипа от входа в атмосферу Марса до приземления](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/352/883/a8c/352883a8c87975c0152f740f30e403f6.png)
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
![Сравнение бокового маневра
Синяя линия - граница досягаемости "Старшипа", красная - AEOLUS Сравнение бокового маневра
Синяя линия - граница досягаемости "Старшипа", красная - AEOLUS](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/e4f/ce1/587/e4fce158762cc73381aedce224ae2713.png)
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