Det tyngsta fordonet som framgångsrikt landat på Mars är Curiosity Rover på 1 ton, ca 2, 200 pund. Skickar mer ambitiösa robotuppdrag till ytan av Mars, och så småningom människor, kommer att kräva landade nyttolastmassor i intervallet 5 till 20 ton. Att göra det, vi måste ta reda på hur vi landar mer massa. Det var målet med en nyligen genomförd studie.

I vanliga fall, när ett fordon kommer in i Mars atmosfär med hypersoniska hastigheter på cirka 30 Mach, det saktar ner snabbt, sätter ut en fallskärm för att sakta ner mer och använder sedan raketmotorer eller krockkuddar för att avsluta landningen.

"Tyvärr, fallskärmssystem skalar inte bra med ökande fordonsmassa. Den nya idén är att eliminera fallskärmen och använda större raketmotorer för nedstigning, sa Zach Putnam, biträdande professor vid institutionen för flygteknik vid University of Illinois i Urbana-Champaign.

Enligt Putnam, när landaren har saktat ner till ungefär Mach 3, retropropulsionsmotorerna tänds, sköt i motsatt riktning för att bromsa fordonet för en säker landning. Problemet är, som bränner mycket drivmedel. Drivmedel ökar fordonets massa, som snabbt kan driva upp fordonskostnaderna och överträffa den nuvarande uppskjutningskapaciteten här på jorden. Och varje kilo drivmedel är ett kilo som inte kan vara nyttolast:människor, vetenskapliga instrument, frakt, etc.

"När ett fordon flyger hypersoniskt, innan raketmotorerna avfyras, någon hiss genereras och vi kan använda den hissen för styrning, " sa Putnam. "Om vi ​​flyttar tyngdpunkten så att den inte är enhetligt förpackad, men tyngre på ena sidan, den kommer att flyga i en annan vinkel."

Putnam förklarade att flödet runt fordonet är olika på toppen och botten vilket skapar en obalans, en tryckskillnad. Eftersom hissen är i en riktning, den kan användas för att styra fordonet när det bromsar genom atmosfären.

"Vi har en viss kontrollbefogenhet vid inresa, härkomst, och landning – det vill säga förmågan att styra." sade Putnam. "Hypersoniskt, fordonet kan använda lyft för att styra. När nedstigningsmotorerna har antänts, motorerna har en viss mängd drivmedel. Du kan elda bilar på ett sådant sätt att du landar mycket exakt, du kan glömma noggrannheten och använda allt för att landa den största möjliga rymdfarkosten, eller så kan du hitta en balans däremellan.

"Frågan är, om vi vet att vi ska tända nedstigningsmotorerna kl. säga, Mach 3, hur ska vi styra fordonet aerodynamiskt i hypersonisk regim så att vi använder minsta möjliga mängd drivmedel och maximerar massan på nyttolasten som vi kan landa?

"För att maximera mängden massa vi kan landa på ytan, höjden på vilken du tänder dina nedstigningsmotorer är viktig, men också vinkeln din hastighetsvektor gör med horisonten – hur brant du kommer in, sa Putnam.

Studien klargjorde hur man på bästa sätt kan använda lyftvektorn, använda optimala kontrolltekniker för att identifiera kontrollstrategier som kan användas hypersoniskt över olika interplanetära leveransförhållanden, fordonsegenskaper, och landade höjder för att maximera landad massa.

"Visar sig, det är drivmedelsoptimalt att komma in i atmosfären med lyftvektorn nedåt så att fordonet dyker. Sedan i precis rätt ögonblick baserat på tid eller hastighet, växla för att lyfta upp, så att fordonet drar ut och flyger med på låg höjd, " sade Putnam. "Detta gör det möjligt för fordonet att spendera mer tid på att flyga lågt där atmosfärens densitet är högre. Detta ökar motståndet, minska mängden energi som måste avlägsnas av nedstigningsmotorerna."

Studien, "Inträdesbanaalternativ för fordon med hög ballistisk koefficient på Mars, " skrevs av Christopher G. Lorenz och Zachary R. Putnam. Det förekommer i Journal of Spacecraft and Rockets .