Forskare från Skoltech och Massachusetts Institute of Technology har analyserat flera dussin alternativ för att välja det bästa när det gäller prestanda och kostnader för den "sista milen" av ett framtida uppdrag till månen – faktiskt leverera astronauter till månens yta och backa upp till säkerheten för den kretsande månstationen. Uppsatsen publicerades i tidskriften Acta Astronautica .

Ända sedan december 1972, när besättningen på Apollo 17 lämnade månens yta, människor har varit ivriga att återvända till månen. Under 2017, USA:s regering lanserade Artemis-programmet, som har för avsikt att föra "den första kvinnan och nästa man" till månens sydpol 2024. Artemis-uppdraget kommer att använda en ny orbitalplattform, kallad Lunar Gateway, som kommer att bli en permanent rymdstation varifrån återanvändbara moduler kommer att föra astronauter tillbaka till månen. Detta nya tillvägagångssätt kräver en omanalys av de optimala landningssätten; de privata företag som kontrakterats av NASA för att designa de återanvändbara landningsmodulerna utför denna forskning, men håller sina upptäckter för sig själva.

Skoltech M.Sc. student Kir Latyshev, Ph.D. student Nicola Garzaniti, Docent Alessandro Golkar, och MIT:s Edward Crawley utvecklade matematiska modeller för att bedöma de mest lovande alternativen för mänskliga landningssystem för ett framtida Artemis-uppdrag. Till exempel, Apollo-programmet använde 2-stegsarkitektur, när Apollo Lunar Module, som består av en nedstignings- och uppstigningsmoduler, kunde bära två personer till månens yta och backa upp, lämnar nedstigningsmodulen bakom sig.

Teamet antog att Lunar Gateway ligger i L2 nära rätlinjig halobana, det för närvarande föredragna alternativet som har att stationen kretsar kring L2 Lagrange-punkten på ett sätt som gör det lättare att landa på månens sydpol. De modellerade också en expedition med fyra astronauter, som kommer att tillbringa omkring sju dagar på månen. Forskarna övervägde både det optimala antalet steg och de föredragna drivmedlen för systemet. Totalt, de gick igenom 39 varianter av det framtida månens mänskliga landningssystem, modellerar också kostnaden för de mest lovande alternativen.

Teamet gick igenom ett heltäckande tillvägagångssätt för att bedöma alternativa koncept av mänskliga månlandare, tittar på ett brett antal alternativ med arkitektoniska screeningsmodeller. De definierade först nyckeluppsättningen av arkitektoniska beslut som skulle fattas, såsom antal steg och typ av drivmedel som ska användas vid varje steg av landaren. De organiserade informationen i matematiska modeller, och utförde en omfattande beräkningsutforskning av alternativa systemarkitekturer som kommer från kombinationen av de olika arkitekturbesluten. Till sist, de analyserade det resulterande handelsutrymmet och identifierade föredragna arkitekturer för övervägande av intressenter som är intresserade av utformningen av mänskliga månlandare.

Deras analys visade att för förbrukningsbara landningssystem som de som används i Apollo-programmet, 2-stegsarkitekturen är verkligen den mest fördelaktiga eftersom den har både lägre totala torra massor och drivmedelsbelastningar samt lägre lanseringskostnader per uppdrag. Dock, för återanvändbara fordon planerade för Artemis-programmet, 1- och 3-stegssystem blir snabbt jämförbara i sina fördelar.

Med alla antaganden i tidningen beaktade, den "ultimata" vinnaren för ett antal korta månuppdrag av "sortie"-typ är den 1-stegs återanvändbara modulen som körs på flytande syre och flytande väte (LOX/LH2). Författarna noterar att detta är en preliminär analys, som inte tar hänsyn till besättningens säkerhet, överväganden om sannolikhet för uppdragsframgång samt projektledningsrisker – dessa kommer att kräva mer utarbetade modellering i ett senare skede av programmet.

Kir Latyshev noterar att, för Apollo-programmet, NASA-ingenjörer gjorde en liknande analys och valde månmodulen i två steg. Dock, den övergripande arkitekturen för månuppdrag var annorlunda då. Den hade ingen kretsande månstation för att hålla månmodulen vid mellan uppdragen, vilket innebar att alla ALM-flygningar skulle utföras direkt från jorden. Det innebar också att man använder helt förbrukningsbara månmoduler (ett nytt fordon för varje uppdrag), i motsats till återanvändbara sådana som anses nuförtiden. Förutom det, utan månstationen, ett av de nuvarande alternativen – 3-stegslandningssystemet – var inte alls möjligt.

"Intressant, vår studie visar att även med omloppsstationen, om helt förbrukningsbara fordon beaktas, då förväntas det 2-stegs (Apollo-liknande) landningssystemet fortfarande ha lägre massor och, därför, lägre kostnader – vilket på ett sätt bekräftar Apollo-beslutet. Dock, återanvändbarhet förändrar det. Även om 1- och 3-stegsfordon i detta fall fortfarande är tyngre än 2-stegs, de gör det möjligt att återanvända mer av "fordonsmassan" (ungefär 70-100 % jämfört med cirka 60 % för 2-stegsalternativet) om och om igen, på så sätt spara pengar på att producera och leverera nya fordon till den kretsande stationen och göra månuppdrag potentiellt billigare, " säger Latyshev.

Han tillägger att hänsyn till besättningens säkerhet är en viktig faktor vid utformningen av mänskliga rymdsystem som författarna inte tog hänsyn till i sin studie. "Denna säkerhetsfaktor kan påverka resultaten på båda sätten. Till exempel, flerstegslösningar kan erbjuda fler säkra returmöjligheter i händelse av en nödsituation i parkeringsbanan före månens nedstigning till ytan än vår "vinnare, " 1-stegssystemet:antingen nedstignings- eller uppstigningsfordonet kan användas för retur vid 3-stegs- och 2-stegssystem i motsats till enstegssystemet i 1-stegssystemet. Samtidigt, 2-stegs och 3-stegssystem förväntas vara mer komplexa och därför ha större risker för haverier, till skillnad från den enklare 1-stegslösningen. Så det är en avvägning igen, " förklarar Latyshev.

Teamet planerar att utöka arbetet i framtiden, med en omfattande utforskning av systemarkitekturen för hela utforskningsinfrastrukturen som krävs i framtida mänskliga rymdfärdsprogram för månutforskning.