Nuove idee per l’entrata, la discesa e l’atterraggio per le future missioni umane su Marte

Rappresentazione artistica di un Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator che sta decelerando l’entrata in atmosfera di una sonda. Credit:i: NASA

Uno dei compiti tecnicamente più difficili per una qualsiasi futura missione su Marte è qulla di far atterrare gli astronauti al suolo.

La combinazione di alta velocitù necessaria per un viaggio breve nello spazio e l’atmosfera molto sottile di Marte crea un problema aerodinamico che è stato risolto solo con sonde robotizzate, almeno fino ad oggi. Se un giorno si potrà camminare sulla superficie polverosa del pianeta sarà neccessario sviluppare meglio le tecnologie legate all’Entry Descent and Landing (EDL), ossia all’entrata, discesa e atterraggio.

Tali tecnologie sono state affrontate durante un recente incontro del Lunar Planetary Institute (LPI), “The Concepts and Approaches for Mars Exploration Conference”, la conferenza dedicata ai concetti e agli approcci per l’esplorazione di Marte, tenuta dal 12 al 14 giugno 2012 a Houston, che ha concentrato l’attenzione sulle ultime tecnologie all’avanguardia che protrebbero risolvere i problema dell’EDL.

Della stragrande quantità di tecnologie che sono state presentate al meeting, molto sembrano coinvolgere un sistema a più livelli che comprende parecchie strategie differenti. Le diverse tecnologie hanno però bisogno di ulteriori test e sono in parte dipendenti dal tipo di missione. Tre tra le più dibattute sono state gli Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerators (HIADs, deceleratori aerodinamici gonfiabili ipersonici), i Supersonic Retro Propulsion (SRP, la propulsione retro supersonica) e varie forme di aerobraking.

Gli HIADs sono sostanzialmente scudi termici di grandi dimensioni, comunemente presenti in molti tipi di capsule di rientro con equipaggio utilizzati negli ultimi cinquant’ anni di volo spaziale. Funzionano grazie ad una grande superficie che crea resistenza sufficiente attraverso l’atmosfera di un pianeta per rallentare la sonda in volo fino ad una velocità ragionevole. Dal momento che questa strategia ha funzionato molto bene sulla Terra per anni è naturale traslare la tecnologia anche per Marte. C’è, però, un problema con la traslazione.

Gli HIADs contano sulla resistenza dell’aria per la loro capacità di rallentare la sonda. Dato che Marte ha un’atmosfera molto più sottile di quella della Terra, la sua resistenza non è così efficace nel rallentarne il rientro. A causa di questo calo di efficacia, gli HIADs vengono considerati solo per l’uso che se ne può fare assieme ad altre tecnologie. Poiché vengono  anche utilizzati come schermo termico, essi devono essere collegati alla sonda all’inizio del rientro, quando l’attrito dell’aria causa un riscaldamento massiccio su alcune superfici. Una volta che il veicolo ha rallentato ad una velocità tale che il riscaldamento non è più un problema, lo HIAD viene rilasciato in modo da consentire ad altre tecnologie di consentire il resto del processo di frenatura.

Una di queste altre tecnologie è lo SRP. In molti sistemi, dopo che lo HIAD viene rilasciato, lo SRP diventa il principale responsabile per far rallentare  la sonda verso il basso. Lo SRP è il tipo di tecnologia di atterraggio che si trova comunemente nella fantascienza. L’idea generale è molto semplice. Gli stessi tipi di motori che accelerano la navicella per sfuggire alla velocità di fuga sulla Terra possono essere trasformati e usati per annullare la velocità della sonda al raggiungimento di una destinazione. Per rallentare la sonda verso il basso, o si capovolgono su se stessi i razzi propulsori originali per il rientro, oppure si realizzano dei razzi forward-facing che saranno usati soltanto durante l’atterraggio. La parte tecnologica e chimica dei razzi necessaria per questa strategia è già ben compresa, ma i motori a razzo funzionano in modo diverso quando sono in viaggio a velocità supersoniche. Altri test deono essere fatti per progettare motori in grado di affrontare gli stress di tali velocità. Gli SRP, inoltre, utilizzano combustibile, tale da permettere alla sonda di coprire l’intera distanza tra Terra e Marte, rendendo il viaggio più costoso.

La maggior parte delle strategie degli SRP vengono utilizzate ad un preciso momento della discesa. Le decisioni devono essere guidate considerando il peso della sonda e la difficoltà di una discesa controllata con la coseguente colonna di gas sul sito di atterraggio.

Una volta che i booster SRP vengono sganciati, nella maggior parte dei progetti è la tecnologia aerobraking a prendere il sopravvento. Una tecnologia che è stata presa in considerazione durante la conferenza è la ballute, una combinazione tra il pallone e il paracadute (ballute da balloon+parachute). L’idea che sta alla base di questa tecnologia è quella di catturare l’aria che si muove oltre alla sonda che sta atterrando e utilizzarla per riempire il ballute legato alla navicella. La compressione dell’aria che si muove nella ballute comporterebbe il riscaldamento del gas, creando una sorta di mongolfiera che ha proprietà simili a quelle di sollevamento utilizzato sulla Terra. Facendo l’ipotesi che vi sia aria sufficiente nella ballute, questa potrebbe fornire la decelerazione finale necessaria per far cadere delicatamente la sonda sulla superficie di Marte, con uno sforzo minimo sul carico utile. Tuttavia, quanto questa tecnologia possa rallentare la sonda verso il basso dipende dalla quantità di aria che si può iniettare nella sua struttura. Con più aria la ballute diventerebbe più grande e di conseguenza vi sarebbero anche più sollecitazioni sul materiale di cui è fatta la ballute.

Queste strategie a malapena riescono a scalfire la superficie dei metodi EDL proposti che potrebbero essere utilizzati da una missione umana su Marte. Curiosity, il nuovissimo rover che presto atterrerà su Marte, sta utilizzando diversi tipi di SRP, tra cui una forma unica di SRP conosciuta come Sky Crane. I risultati dei suoi sistemi aiuteranno gli scienziati a determinare quali tipi di tecnologie EDL saranno il più efficaci per eventuali future missioni umane su Marte.

Jet supersonici vengono sparati in avanti di un veicolo spaziale al fine di rallentare il veicolo durante l’immissione in atmosfera marziana prima dell’apertura del paracadute. L’immagine è del Mars Science Lab al Mach 12 con 4 jet di retropulsione supersonici.  Crediti: NASA.

Fonte: LPI Concept and Approaches for Mars Exploration: Human Exploration and Precursors: Entry, Descent, and Landing: http://www.lpi.usra.edu/meetings/marsconcepts2012/pdf/sess502.pdf

UniverseToday: http://www.universetoday.com/96119/integrating-new-concepts-for-entry-descent-and-landing-for-future-human-missions-to-mars/

Per ulteriori informazioni sulla struttura Maniitsoq: http://www.geus.dk/cgi-bin/webbasen_nyt_uk.pl?id=1340629662|cgifunction=form

Sabrina

~ di Sabrina su 3 agosto 2012.

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