Att skicka ut en människa i rymden och göra det effektivt innebär en galax av utmaningar. Koki Ho, University of Illinois biträdande professor vid institutionen för flygteknik, och hans doktorander, Hao Chen och Bindu Jagannatha, utforskade sätt att integrera logistiken för rymdresor genom att titta på en kampanj av månuppdrag, rymdfarkostdesign, och skapa ett ramverk för att optimera bränsle och andra resurser.

Ho sa att det handlar om att hitta en balans mellan tid och mängden bränsle – att komma dit snabbt kräver mer bränsle. Om tiden inte är ett problem, långsam men effektiv framdrivning med låg dragkraft kan vara ett bättre val. Att dra nytta av denna klassiska avvägning, Ho noterade att det finns möjligheter att minimera lanseringsmassan och kostnaden när man ser på problemen ur ett kampanjperspektiv – flera lanseringar/flygningar.

"Vårt mål är att göra rymdresor effektiva, " sa Ho. "Ett sätt att göra det är att överväga kampanjdesign, det är, flera uppdrag tillsammans – inte bara att starta allt från marken för varje uppdrag som Apollo gjorde. I en kampanj med flera uppdrag, tidigare uppdrag utnyttjas för efterföljande uppdrag. Så om ett tidigare uppdrag distribuerade någon infrastruktur, såsom en drivmedelsdepå, eller om arbetet hade börjat att bryta syre från jorden på månen, de används i utformningen av nästa uppdrag."

Ho använde data från tidigare flugna eller planerade uppdrag för att skapa simulerade modeller av en kombinerad kampanj. Modellen kan modifieras för att inkludera tyngre eller lättare rymdfarkoster, en specificerad uppsättning destinationer, det exakta antalet människor ombord, etc., för att validera sina förutsägelser om effektiviteten.

"Det finns problem med fordonsstorleken, " sa Ho. "I våra tidigare studier, för att göra problemet effektivt löst, vi var tvungna att använda en förenklad modell för dimensionering av fordon och infrastruktur. Så att skapa modellen gick snabbt, men modellens giltighet var inte så bra som vi önskade."

I en av de aktuella studierna, Ho och hans kollegor tog upp trohetsfrågan i dessa tidigare förenklade modeller genom att skapa en ny metod för att överväga mer realistiska uppdrags- och fordonsdesignmodeller samtidigt som beräkningsbelastningen för uppdragsplaneringen bibehålls på en rimlig nivå.

"I den här forskningen designar vi fordonen från grunden så att fordonsdesignen kan bli en del av kampanjdesignen, " sa Ho. "Till exempel, om vi vet att vi vill skicka en människa till rymden Mars till 2030-talet, vi kan designa fordonet och planera fleruppdragskampanjen för att uppnå maximal effektivitet och lägsta lanseringskostnad över den givna tidshorisonten."

Ho:s forskning inbegriper också konceptet med drivmedelsdepåer i rymden, som strategiskt placerade lastbilsstopp på en vägbana. Han sa att det är en idé som har kastats runt ett tag bland forskare. "Det finns frågor om hur effektiva depåerna faktiskt är, " sa Ho. "Till exempel, om det krävs samma eller mer mängd drivmedel bara för att leverera depån, vad är då poängen med att skicka den framåt?"

Hos studier ger en lösning på denna fråga genom att utnyttja en kombination av framdrivningssystem med hög dragkraft och låg dragkraft.

"Ett förberedande uppdrag kan genomföras i förväg för att leverera till omloppsbana mini-rymdstationer som lagrar bränsle, frakt, eller andra förnödenheter, "Ho sa. "Dessa farkoster kan vara förutplacerade så att de kretsar runt och är tillgängliga för en bemannad rymdfarkost som sätts ut senare. Last-/bränslerymdfarkosten kan använda sig av teknik med låg dragkraft eftersom tiden det tar att ta sig till sin destination inte är kritisk. Sedan för den bemannade rymdfarkosten, vi skulle använda raketer med hög dragkraft eftersom tiden är avgörande när vi sätter människor i rymden. Detta betyder också att eftersom bränslet redan finns på dessa rymdstationer, det faktiska bemannade fartyget behöver inte bära så mycket bränsle."