Low-Density Supersonic Decelerator to nazwa projektu, którego głównym założeniem jest konstrukcja nowoczesnych układów hamowania atmosferycznego dla kapsuł i próbników planetarnych, ze szczególnym uwzględnieniem możliwości ich wykorzystania na planecie Mars.
Mars ma znacznie bardziej rozrzedzoną atmosferę niż Ziemia. Mniejsze jest także jego przyspieszenie grawitacyjne. Nie zmienia to jednak faktu, że obiekty o dużej masie (i prędkości wejścia w atmosferę) – przykładowo łazik Curiosity z kapsułą, (całość o masie ponad 3 ton, nie licząc paliwa) – osadzić na powierzchni Marsa jest trudno. Wymaga to skomplikowanych zabiegów i obliczeń.
Osadzenie na Marsie obiektów cięższych niż MSL, na przykład zapasów dla przyszłych astronautów, byłoby olbrzymim wyzwaniem. Teraźniejsze systemy hamowania atmosferycznego nie pozwalają na szybkie i efektywne przeprowadzenie załogowej misji na Marsa.
Warto pamiętać o tym, że na Marsie nie ma oceanów, które umożliwiają stosunkowo delikatne wodowanie kapsuł. Poza tym sama powierzchnia obcej planety w bliższym kontakcie jest jeszcze nieznana, nie istnieją tam “optymalne” lądowiska.
Przykład użycia spadochronowego systemu hamowania w misji Mars Pathfinder. Rozłożenie spadochronu następuje przy prędkości 1,7 Macha.
(Credits: Cruz, J.R., “Parachutes for Planetary Entry Systems,” AE8803 / Planetary Entry, Georgia Institute of Technology, Spring 2007)
Stąd potrzeba opracowania nowych układów spowalniających wejście w atmosferę, które pozwoliłyby na umieszczanie na Marsie cięższych ładunków; poprawiłyby celność lądowania i dodatkowo umożliwiłyby lądowanie na wyżynach.
Z zadaniem tym mierzy się grupa naukowców i inżynierów w projekcie Low-Density Supersonic Decelerator. Koncepcją zarządza Jet Proplusion Laboratory (JPL). Projekt jest jednym z dziewięciu demonstratorów technologii NASA (Technology Demonstration Missions Program), nadzorowanych przez oddział Marshall Space Flight Center w Huntsville w Alabamie.
Systemy umożliwiające wytracenie prędkości, których najlepszym przykładem jest spadochron, poddawane są wielu testom. Obejmują one badania w tunelach aerodynamicznych, testy na małych wysokościach (przy prędkościach poddźwiękowych), na saniach rakietowych oraz testy atmosferyczne przy prędkościach naddźwiękowych.
Wiele rzeczy w układach spadochronowych może zawieść:
- ładunek odpalający spadochron może nie wypalić (przykład sondy Genesis),
- obciążenia aerodynamiczne przekroczą wytrzymałość materiału, z którego skonstruowana jest czasza,
- linki łączące ładunek z czaszą mogą się poplątać,
- kontakt ze sprzętem (hardware) opuszczanym na spadochronie, przykładem może być jeden ze spadochronów misji Apollo 15, który nie otworzył się ze względu na odkształcenia łącznika (pojedynczej linki łączącej ładunek z pozostałymi linami podczepionymi do czaszy spadochronu) i reszty lin w wyniku wcześniejszego kontaktu z ciepłem wydzielającym się podczas zapłonu paliwa,
- nierównomierne wypełnienie (powietrzem) przegród czaszy i inne.
Wypadek przy lądowaniu próbnika sondy Genesis. W trakcie wejścia w atmosferę nie odpalił ładunek wyzwalający spadochron. (Credits: NASA)
Ze względu na niebezpieczeństwo wystąpienia jednego z powyższych zdarzeń, każdy spadochron testowany jest wielokrotnie. Być może to wpłynęło na wykorzystywanie przez NASA jednego systemu spadochronów we wszystkich misjach marsjańskich (i nie tylko) od lat 70 XX wieku.
Tym systemem jest DGB (Disk-Gap-Band). Pierwszy raz zastosowano go w misjach próbników Viking. Następnie w projektach Mars Pathfinder, Mars Polar Lander, MER (Mars Exploration Rover), Phoenix i MSL (misje na Marsa). Także próbniki sond Genesis i Stardust wykorzystywały ten układ hamowania atmosferycznego (lądowanie na Ziemi).
Projekt spadochronu Disk-Gap-Band dla misji Viking.
(Credits: Anon., “Viking Lander “As Built” Performance Capabilities”, Martin Marietta Corp. Report, NASA Contract NAS1-9000,1976)
Dlaczego w tej chwili opracowywany jest nowy system hamowania, skoro DGB sprawował się tak świetnie przez te wszystkie lata? (Nie licząc błędu przy lądowaniu próbnika Genesis). Przecież przy użyciu spadochronu z tej linii, spowolniono kapsułę z Curiosity w niedawnym lądowaniu MSL na Marsie.
Przede wszystkim, efektywność spadochronu uzależniona jest od prędkości. Powyżej 3 Machów (dokładnie 2,7) przestałby spełniać swoją rolę. Użycie tego spadochronu powoduje również ograniczenie ciężaru jego ładunku (MSL znajdował się już blisko „granicy”).
Nie oznacza to, że DGB zostanie porzucony. Jest już usprawniany, przede wszystkim zmianie ulegną rozmiary jego czaszy – nawet do 30 metrów średnicy. Będzie musiał spowolnić opadanie cięższych ładunków z 2 Machów (1700-1800 km/h na Marsie) do 280 km/h w przeciągu kilkudziesięciu sekund.
O nowatorskim podejściu do problemu nie świadczy jednak zwiększanie średnicy czaszy spadochronu, lecz użycie dodatkowego systemu hamowania, sprawdzającego się przy prędkości około 4 Machów. Jest to system nadmuchiwanych „balonów” lub „hiperstożków” spowalniających lądowanie w najwyższych warstwach atmosfery. Ich nadmuchanie poprzedza rozłożenie spadochronu.
Nadmuchiwany, spowalniający „hiperstożek”. (Credits: NASA)
W projekcie Low-Density Supersonic Decelerator zostaną użyte dwa takie mechanizmy, pierwszy o średnicy 6 metrów, a drugi 8 metrów. Są to trwałe, nadmuchiwane, podobne do balonów zbiorniki ciśnieniowe, wypełnione gazem i otaczające po obwodzie pojazd lądujący (z tego względu przypominają stożki). Zwiększają współczynnik oporu aerodynamicznego pojazdu przy prędkościach powyżej 3,5 Machów i do 2 Machów. Są one także (teoretycznie) najbardziej efektywnym narzędziem hamującym przy takiej szybkości.
Projekt Low-Density Supersonic Decelerator. (Credits: NASA)
Po spowolnieniu kapsuły do 2 Machów, rozwinięty zostanie spadochron. Te trzy elementy systemu powodują, że misje marsjańskie staną się o wiele bardziej ekscytujące – na Czerwoną Planetę będzie można wysłać cięższy ładunek, umieścić go na dużo większym obszarze i zawęzić sam obszar lądowania.
Przykładowe zestawienie z DGB przedstawiono w tabeli poniżej:
Zestawienie ograniczeń i osiągów systemów hamowania DGB (Disk-Gap-Band) oraz LDSD (Low-Density Supersonic Decelerator). Należy pamiętać o tym, że układ LDSD oprócz spadochornu wyposażony jest w dwa nadmuchiwane stożki, używane w pierwszej fazie wytracania prędkości przy wejściu w atmosferę. (Credits: Kosmonauta.net)
Są to dane przybliżone, dokładne informacje pojawią się prawdopodobnie po pierwszych testach, zaplanowanych na 2013 rok. System Low-Density Supersonic Decelerator przejdzie swoje pierwsze próby na saniach rakietowych (w ośrodku US Naval Air Weapons Station w China Lake), spowalniając tarczę cieplną o średnicy 4,5 metra, przyspieszaną w kilka sekund do 480 km/h.
Kolejne badania obejmować będą wytrzymałość spadochronu w trakcie lotów naddźwiękowych. Kulminacją będzie seria prób, w trakcie których kapsuła rozmiarów statków Apollo będzie wynoszona na 3,5-4 kilometry za pomocą balonu i przyspieszana do 4 Machów rakietą. Urządzenia hamujące będą wykonywać podobną pracę jak na Marsie.
„Siedem minut terroru”, jakimi jest wejście w atmosferę Marsa, przejście przez nią i lądowanie, może stać się mniej „straszne” dzięki pracy nad nowoczesnymi systemami hamującymi. Pozwoli to także na transport cięższych ładunków na Czerwoną Planetę; rozmieszczanie ich w niedalekiej odległości od siebie; możliwość wyboru lądowiska z około trzech czwartych powierzchni Marsa. Profity dla przyszłych misji załogowych są aż zanadto widoczne!
{jathumbnail off}
———-
Źródła:
- Rocket Sled Tests Are Technology Pathway to Safely Land Humans, Habitats and Cargo on Mars, NASA
- Low-Density Supersonic Decelerator (LDSD), NASA
- Juan R. Cruz, J. Stephen Lingard, Aerodynamic Decelerators for Planetary Exploration: Past, Present, and Future, American Institute of Aeronautics and Astronautics
- Space System Engineering, Introduction to Parachute Systems
{module [346]}
