Noot van de redactie: dit gastbericht is geschreven door Andy Tomaswick, een elektrotechnisch ingenieur die ruimtewetenschap en technologie volgt.
Een van de technisch meest moeilijke taken van toekomstige bemande missies naar Mars is om de astronauten veilig op de grond te krijgen. De combinatie van de hoge snelheid die nodig is voor een korte ruimtereis en de veel lichtere atmosfeer op Mars creëert een aerodynamisch probleem dat tot nu toe alleen is opgelost voor robotachtige ruimtevaartuigen. Als mensen ooit op het stoffige oppervlak van Mars gaan lopen, moeten we eerst betere Entry Descent and Landing (EDL) -technologieën ontwikkelen.
Deze technologieën maken deel uit van een recente bijeenkomst van het Lunar Planetary Institute (LPI), The Concepts and Approaches for Mars Exploration conference, gehouden van 12 tot 14 juni in Houston, waarbij de nadruk lag op de nieuwste ontwikkelingen in technologieën die het EDL-probleem zouden kunnen oplossen.
Van de veelheid aan technologieën die tijdens de bijeenkomst werden gepresenteerd, leken de meeste een meerlagig systeem te omvatten dat verschillende strategieën omvatte. De verschillende technologieën die deze niveaus zullen vullen, zijn gedeeltelijk missieafhankelijk en moeten allemaal nog worden getest. Drie van de meest besproken waren Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerators (HIADs), Supersonic Retro Propulsion (SRP) en verschillende vormen van aerobraking.
HIAD's zijn in wezen grote hitteschilden, die vaak worden aangetroffen in vele soorten bemande terugkeercapsules die in de afgelopen 50 jaar ruimtevaart zijn gebruikt. Ze werken door een groot oppervlak te gebruiken om voldoende weerstand door de atmosfeer van een planeet te creëren om het reizende vaartuig tot een redelijke snelheid te vertragen. Aangezien deze strategie al jaren zo goed werkt op aarde, is het logisch om de technologie naar Mars te vertalen. Er is echter een probleem met de vertaling.
HIAD's vertrouwen op luchtweerstand vanwege het vermogen om het vaartuig te vertragen. Omdat Mars een veel dunnere atmosfeer heeft dan de aarde, is die weerstand lang niet zo effectief in het vertragen van de terugkeer. Vanwege deze verminderde effectiviteit worden HIAD's alleen overwogen voor gebruik met andere technologieën. Omdat het ook wordt gebruikt als hitteschild, moet het aan het begin van de terugkeer aan het schip worden bevestigd, wanneer de luchtwrijving op sommige oppervlakken enorme verwarming veroorzaakt. Zodra het voertuig is vertraagd tot een snelheid waarbij verwarming geen probleem meer is, wordt de HIAD vrijgegeven om andere technologieën de rest van het remproces te laten overnemen.
Een van die andere technologieën is SRP. In veel schema's wordt SRP, nadat de HIAD is uitgebracht, primair verantwoordelijk voor het vertragen van het vaartuig. SRP is het type landings technologie dat veel voorkomt in science fiction. Het algemene idee is heel eenvoudig. Dezelfde typen motoren die het ruimtevaartuig versnellen om aan de snelheid op aarde te ontsnappen, kunnen worden omgedraaid en gebruikt om die snelheid te stoppen wanneer ze een bestemming bereiken. Om het schip te vertragen, draait u de originele raketboosters om bij terugkeer en ontwerpt u naar voren gerichte raketten die alleen tijdens de landing zullen worden gebruikt. De chemische rakettechnologie die nodig is voor deze strategie is al goed bekend, maar raketmotoren werken anders wanneer ze met supersonische snelheden reizen. Er moeten meer tests worden gedaan om motoren te ontwerpen die de spanningen van dergelijke snelheden aankunnen. SRP's gebruiken ook brandstof, die het vaartuig nodig heeft om de hele afstand naar Mars te vervoeren, waardoor de reis duurder wordt. De SRP's van de meeste strategieën worden ook ergens tijdens de afdaling overboord gegooid. De gewichtsschuur en de moeilijkheidsgraad van een gecontroleerde afdaling terwijl je een vlamkolom naar een landingsplaats volgt, helpen tot die beslissing.
Zodra de SRP-boosters wegvallen, zou in de meeste ontwerpen een aerobraking-technologie het overnemen. Een veel besproken technologie op de conferentie was de ballute, een combinatieballon en parachute. Het idee achter deze technologie is om de lucht op te vangen die langs het landingsvaartuig stroomt en deze te gebruiken om een ballute te vullen die aan het vaartuig is vastgemaakt. Door de compressie van de lucht die in de kogel stroomt, zou het gas opwarmen, waardoor er in feite een heteluchtballon zou ontstaan die dezelfde hijseigenschappen zou hebben als die op aarde. Ervan uitgaande dat er voldoende lucht in de kogel stroomt, kan dit de laatste vertraging opleveren die nodig is om het landingsvaartuig voorzichtig op het oppervlak van Mars te laten vallen, met minimale belasting van de lading. De totale hoeveelheid die deze technologie het vaartuig zou vertragen, is echter afhankelijk van de hoeveelheid lucht die het in zijn structuur zou kunnen injecteren. Bij meer lucht komt er een grotere ballute en meer spanningen op het materiaal waaruit de ballute is gemaakt. Met die overwegingen wordt het niet beschouwd als een op zichzelf staande EDL-technologie.
Deze strategieën krassen nauwelijks op het oppervlak van voorgestelde EDL-methoden die kunnen worden gebruikt door een menselijke missie naar Mars. Curiosity, de nieuwste rover die binnenkort op Mars zal landen, gebruikt verschillende, waaronder een unieke vorm van SRP die bekend staat als de Sky Crane. De resultaten van de systemen zullen wetenschappers zoals die op de LPI-conferentie helpen bepalen welke suite van EDL-technologieën het meest effectief zal zijn voor toekomstige menselijke missies naar Mars.
Bijschrift afbeelding leiden: Artist's concept van Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator die de atmosferische intrede van een ruimtevaartuig vertraagt. Krediet: NASA
Bijschrift tweede afbeelding: Supersonische jets worden voor een ruimtevaartuig afgevuurd om het voertuig te vertragen tijdens het betreden van de atmosfeer van Mars voordat de parachute wordt ingezet. De afbeelding is van het Mars Science Lab op Mach 12 met 4 supersonische retropropulsie-jets. Krediet: NASA
Bron: LPI Concept and Approaches for Mars Exploration
