En las próximas décadas, se planean varias misiones para Marte, que incluyen propuestas para enviar astronautas allí por primera vez. Esto presenta numerosos desafíos logísticos y técnicos, que van desde la gran distancia hasta la necesidad de una mayor protección contra la radiación. Al mismo tiempo, también existe la dificultad de aterrizar en el Planeta Rojo, o lo que se conoce como la "Maldición de Marte".
Para complicar más las cosas, el tamaño y la masa de las futuras misiones (especialmente las naves espaciales tripuladas) estarán más allá de la capacidad de la tecnología actual de entrada, descenso y aterrizaje (EDL). Para abordar esto, un equipo de científicos aeroespaciales publicó un estudio que muestra cómo una compensación entre el empuje de frenado a menor altitud y el ángulo de la trayectoria de vuelo podría permitir que misiones pesadas aterricen de manera segura en Marte.
El estudio, que apareció recientemente en el Diario de naves espaciales y cohetes, fue escrito por Christopher G. Lorenz y Zachary R. Putnam, investigador de The Aerospace Corporation y profesor asistente de ingeniería aeroespacial en la Universidad de Illinois, respectivamente. Juntos, investigaron diferentes estrategias de aterrizaje para ver cuál podría superar la "Maldición de Marte".
En pocas palabras, aterrizar en Marte es un negocio difícil, y solo el 53% de las naves espaciales enviadas allí desde la década de 1960 han llegado a la superficie intacta. Hasta la fecha, el vehículo más pesado para aterrizar con éxito en Marte fue el Curiosidad rover, que pesaba 1 tonelada métrica (2,200 lbs). En el futuro, la NASA y otras agencias espaciales planean enviar cargas útiles con masas que van de 5 a 20 toneladas, lo que está más allá de las estrategias convencionales de EDL.
En la mayoría de los casos, esto consiste en un vehículo que ingresa a la atmósfera marciana a velocidades hipersónicas de hasta Mach 30 y luego disminuye la velocidad rápidamente debido a la fricción del aire. Una vez que alcanzan Mach 3, despliegan un paracaídas y disparan sus retrocohetes para reducir la velocidad. El problema con las misiones más pesadas, según Putnam, es que los sistemas de paracaídas no se adaptan bien al aumentar la masa del vehículo.
Desafortunadamente, los motores retrorocket queman mucho propulsor, lo que aumenta la masa total del vehículo, lo que significa que se necesitan vehículos de lanzamiento más pesados y las misiones terminan costando más. Además, cuanto más propulsora necesita una nave espacial, menos volumen puede ahorrar para la carga útil, la carga y la tripulación. Como explicó el profesor Putman en un comunicado de prensa de Illinois Aerospace:
"La nueva idea es eliminar el paracaídas y utilizar motores de cohetes más grandes para el descenso ... Cuando un vehículo está volando hipersónicamente, antes de que se activen los motores de cohetes, se genera algo de elevación y podemos usar ese elevador para la dirección". Si movemos el centro de gravedad para que no esté empaquetado uniformemente, sino que sea más pesado en un lado, volará en un ángulo diferente ".
Para empezar, Lorenz y Putnam investigaron la presión diferencial que ocurre alrededor de un vehículo cuando golpea la atmósfera de Marte. Básicamente, el flujo alrededor del vehículo es diferente en la parte superior que en la parte inferior del vehículo, lo que crea elevación en una dirección. Esta vida se puede utilizar para dirigir el vehículo a medida que se desacelera a través de la atmósfera.
Como explicó Putnam, la nave podría usar sus retrocohetes en este punto para aterrizar con precisión, o podría conservar su propulsor para aterrizar la mayor cantidad de masa posible, o se podría lograr un equilibrio entre los dos. Al final, se trata de a qué altitud disparas los cohetes. Como dijo Putnam:
"La pregunta es, si sabemos que vamos a encender los motores de descenso a, digamos, Mach 3, ¿cómo debemos dirigir el vehículo aerodinámicamente en el régimen hipersónico para que usemos la mínima cantidad de propulsor y maximicemos la masa del carga útil que podemos aterrizar? Para maximizar la cantidad de masa que podemos [aterrizar] en la superficie, la altitud a la que enciende sus motores de descenso es importante, pero también el ángulo que forma su vector de velocidad con el horizonte: qué tan empinado está entrando ".
Aquí yace otro aspecto importante del estudio, donde Lorenz y Putnam evaluaron cómo hacer el mejor uso del vector de elevación. Lo que encontraron fue que era mejor ingresar a la atmósfera de Marte con el vector de elevación apuntando hacia abajo para que el vehículo se zambulle y luego (dependiendo del tiempo y la velocidad) para cambiar el elevador y volar a baja altitud.
"Esto permite que el vehículo pase más tiempo volando bajo donde la densidad atmosférica es mayor", dijo Putnam. "Esto aumenta la resistencia, reduciendo la cantidad de energía que deben eliminar los motores de descenso".
Las conclusiones de este estudio podrían informar futuras misiones a Marte, especialmente cuando se trata de naves espaciales pesadas que transportan carga y tripulaciones. Si bien esta estrategia de EDL generaría un aterrizaje más estresante, las probabilidades de que las tripulaciones aterricen de manera segura y no sucumban al "Gran Ghoul Galáctico".
Más allá de Marte, este estudio podría tener implicaciones para aterrizar en otros cuerpos solares que tienen atmósferas delgadas. En última instancia, la estrategia de Lorenz y Putnam de una entrada hipersónica y un impulso de frenado a menor altitud podría ayudar con las misiones tripuladas a todo tipo de cuerpos celestes.
