Introduzione: Il ruolo dei veicoli di salita di Marte nella Esplorazione umana

Mentre si presta molta attenzione all'atterraggio di carichi pesanti e di equipaggiamenti sostenuti sul Pianeta Rosso, il veicolo che deve lanciare gli esseri umani indietro in orbita — il Mars Ascent Vehicle (MAV) — presenta il proprio insieme di requisiti straordinari.

Per il contesto, i piani attuali per le missioni di Marte equipaggiate — come la NASA ]Mars Architecture e SpaceX []Programma di partenza – immaginano di inviare una MAV pre-deployed a Marte, sia alimentata sulla Terra che con il propellente prodotto in situ.

Sfide ambientali su Marte

Marte presenta un ambiente molto più ostile rispetto all’orbita della Luna o della Terra bassa. L’atmosfera sottile del pianeta (meno dell’1% della pressione del livello del mare terrestre) è composta principalmente da anidride carbonica, che offre un sollevatore aerodinamico trascurabile, ma introduce il trascinamento e il potenziale per lo scarico statico.

Effetti atmosferici sulla propulsione

Una pressione atmosferica ridotta rappresenta una sfida significativa per il design dei motori a razzo. Un ugello tradizionale ottimizzato per l’atmosfera terrestre sarà sovra-espanso su Marte, causando la separazione del flusso e la perdita di efficienza. Gli ingegneri devono progettare ugelli con rapporti di espansione variabili o adottare design compensanti ad alta quota (come aerospike o ugelli a doppia campana) per mantenere le prestazioni attraverso l’intero profilo di salita.

Gestione termica e tempeste di polveri

Il controllo termico passivo, utilizzando materiali multistrato, materiali di cambio di fase e radiatori, è essenziale per mantenere i serbatoi propellanti a temperature accettabili. Le tempeste di polvere, che possono coprire il pianeta per settimane, pongono rischi aggiuntivi: le particelle di polvere fini possono infiltrare i sigilli, i pannelli solari di rivestimento e creare una carica elettrostatica significativa che può danneggiare l'elettronica.

Sfide tecniche nel design dei veicoli

La costruzione di un MAV comporta l'integrazione di propulsione, strutture, avionica e sistemi di equipaggio in un veicolo che deve operare centinaia di milioni di chilometri dalla Terra con una comunicazione limitata.

Architettura del sistema di propulsione

La scelta del giusto ciclo di propulsione è un atto di bilanciamento tra prestazioni, semplicità e affidabilità. I progetti MAV proposti in genere rientrano in una delle tre categorie: motori a razzo solido, motori bipropellanti liquidi o motori ibridi.

  • Solid Rocket Motors[[]: Semplice, affidabile e in grado di conservare per anni con una manutenzione minima. Tuttavia, offrono un basso impulso specifico (ISP) e non possono essere facilmente frenati, limitando la flessibilità dei motori aborti. I motori solidi producono anche grandi quantità di fumo e particelle che potrebbero interferire con i sensori di atterraggio di precisione sulla salita.
  • Liquid Bipropellant Engines[[: Alta capacità di ISP e di ortica, ma richiedono turbopomp complessi, iniettori, e propellenti criogenici o storable.
  • Hybrid Motors[[]: Usare un combustibile solido (ad esempio, a base di gomma) con un ossidante liquido (ad esempio, ossido nitroso). Sono più sicuri, più economici e fragili, ma hanno un ISP inferiore rispetto ai liquidi e sono meno tecnicamente maturi per le missioni equipaggiate.

Gli studi attuali per Mars Ascent Vehicle della NASA, parte della campagna [Mars Sample Return[[[], hanno considerato un design ibrido a due stadi solido-liquido per bilanciare le prestazioni e la semplicità.Per le missioni umane, un motore liquido metano/LOX appare più promettente a causa della sinergia con ISRU, ma la gestione termica necessaria per lo stoccaggio a lunga durata rimane un ostacolo importante.

Materiali strutturali e leggerezza

I sistemi di misurazione e di controllo dei sistemi di controllo sono in grado di garantire la compatibilità con i sistemi di controllo e di controllo.

Guida, navigazione e controllo (GNC)

Durante l'ascesa, il MAV deve seguire una traiettoria precisa per rendersi conto di una sonda orbitante o di un veicolo di transito a bordo Marte. Il ritardo di comunicazione (fino a 22 minuti di sola andata) preclude il controllo del terreno in tempo reale; il veicolo deve essere completamente autonomo. I sistemi GNC devono fondere i dati da unità di misura inerziali, tracciatori stellari e, eventualmente, telecamere di spinta superficiale-relative.

Potenza e Avionici

L’energia per le operazioni pre-lancio (ad esempio, condizionamento propellente, comunicazioni, riscaldatori) è probabilmente prodotta da array solari o da un piccolo sistema di alimentazione radioisotopo. Durante l’ascesa, le batterie devono fornire un’alta potenza per le pompe, i terreni avinici e la telemetria.

Sfide di carburante e propulsione

La scelta del propellente e il metodo di produrlo su Marte sono dei costi critici e dei driver a rischio. L'esorbitante derivante dalla Terra è esorbitantemente costoso; pertanto, l'utilizzo delle risorse in-situ (ISRU) è considerato una necessità per le missioni umane.

Utilizzo delle risorse in-Situ (ISRU)

ISRU per un MAV consiste in genere nell'estrarre l'acqua dal suolo o dall'atmosfera marziano, dividendola in idrogeno e ossigeno tramite elettrolisi, e combinando l'idrogeno con l'atmosfera di CO2 (tramite la reazione di Sabatier) per produrre metano (CH4) e acqua.

Le questioni chiave includono:

  • Risponsabilità delle risorse[]: Il ghiaccio può essere concentrato nelle regioni di mezza latitudine; l'accesso richiede foratura e riscaldamento, che consuma energia.
  • Process affidabilità[[]: Il reattore Sabatier e lo stack di elettrolisi devono funzionare autonomamente per periodi prolungati, la manipolazione di polvere, oscillazioni di temperatura e disattivazione catalizzatore.
  • Gestione dei fluidi criogenici[[]: Conservare il metano liquido (−162 °C) e l'ossigeno liquido (−183 °C) sulla superficie per anni con il minimo effetto di ebollizione richiede un isolamento avanzato, il raffreddamento attivo (ad esempio, criocoolers), e le tecnologie zero-boil-off.
  • Contaminazione[[]: La polvere e i perclorati marziani nel terreno possono interferire con i processi chimici; i sistemi di filtrazione e purificazione devono essere robusti.

I progetti alternativi di propellente includono l’utilizzo di ossigeno prodotto solo da CO2 (con un combustibile portato dalla Terra, come l’idrogeno), ma le difficoltà di idrogeno e di ebollizione rendono meno attraente. Alcuni studi hanno esaminato utilizzando monossido di carbonio e ossigeno (dalla elettrolisi di CO2), ma l’ISP è inferiore.

Trasferimento e stoccaggio dell'idrogeno

Prima del lancio, il propellante deve essere trasferito dallo stabilimento ISRU ai serbatoi del MAV, che comporta il trasferimento di fluidi criogenici in bassa gravità e un ambiente polveroso, che può causare cavitazione, separazione di fase e formazione di ghiaccio.

Un altro approccio è quello di pre-landare un MAV che è già alimentato sulla Terra, ma questo aumenta notevolmente la massa e il costo di lancio. Ad esempio, un MAV completamente alimentato utilizzando i propellanti ipergolici storable potrebbe essere costruito, ma la tossicità e le prestazioni inferiori richiederebbero più massa per lo stesso carico.

Sicurezza e ridondanza

La sicurezza dell'astronaut è la priorità assoluta per qualsiasi MAV equipaggiato. A differenza dei lanci della Terra, non vi è alcuna infrastruttura per le torri di fuga dell'equipaggio o zone di sbarco aborti; un aborti durante l'ascesa di Marte potrebbe essere catastrofico se il veicolo non può tornare in superficie in modo sicuro con un propellente sufficiente.

Sistemi ridondanti e tolleranza di guasto

Il MAV deve raggiungere almeno un’architettura “fail-funzionale” per i sottosistemi critici: qualsiasi singolo guasto non dovrebbe impedire all’equipaggio di raggiungere l’orbita. Ciò include motori ridondanti (o motori multipli che possono fallire in un cluster di propulsione “distribuita”, avionica a doppio-reddiente e sorgenti di potenza indipendenti multiple. Il sistema di propulsione dovrebbe essere in grado di completare l’ascesa con un motore fuori, che richiede generalmente almeno due motori solidi.

Avviare le capacità di interruzione

In Terra, lanciare sistemi di aborti (ad esempio, l’Apollo LES o l’LAS di Orione) spingere la capsula dell’equipaggio lontano da un missile inadeguato. Su Marte, l’atmosfera è troppo sottile per un abortito basato su paracadute, e la gravità è inferiore, quindi un abortito a propulsione a razzo richiederebbe un motore ad alto rischio separato.

Monitoraggio e risposta della salute autonoma

Con un ritardo di comunicazione, il MAV deve rilevare i difetti e agire correttivo senza attendere i comandi del terreno. Questo richiede un sofisticato sistema di monitoraggio della salute che confronta le letture dei sensori (temperature, pressioni, vibrazioni) contro i modelli. Le tecniche di apprendimento automatico potrebbero essere utilizzate per prevedere i guasti dei componenti, ma per le missioni umane iniziali, i sistemi di rilevamento dei guasti basati su regole e l'isolamento (FDI) con i tempi di ridondanza dei sensori robusti.

Test e verifica in ambienti terrestri

Sviluppare un MAV equipaggiato richiede un ampio test sulla Terra, ma la replica della bassa gravità di Marte, l’atmosfera sottile e le condizioni superficiali è estremamente difficile.

Simulazione di salita zero-G

L’aspetto più impegnativo per la prova è il profilo di salita effettivo sotto la gravità di Marte (0.38 g). Sulla Terra, utilizzando un banco di prova può solo verificare le prestazioni del motore a livello di mare, ma il motore vedrà una pressione posteriore drasticamente diversa mentre sale attraverso l’atmosfera di Marte. Una camera di vuoto è necessaria per la simulazione di altitudine, ma combinando una grande camera di vuoto con un motore a razzo che spara in esso è complesso.

Test di prontezza operativa

I test di stoccaggio a lunga durata sulla Terra — esponendo l’hardware MAV a temperature e cicli di polvere simulati di Marte — possono convalidare le strutture, l’isolamento e l’affidabilità elettronica. Ad esempio, l’elettronica di potenza della fase di crociera del Mars Science Laboratory è stata testata in condizioni simili a Marte. Tuttavia, la combinazione di vuoto, criogenici e polvere è difficile da raggiungere in una singola camera.

Test del volo in orbita terrestre

Un’alternativa è quella di testare i prototipi MAV in orbita terrestre, eseguendo un’ascesa da una gravità marziana simulata (ad esempio, utilizzando una centrifuga o sparando il motore in una traiettoria suborbitale).

Le direzioni future e la collaborazione internazionale

Nessuna agenzia o società può risolvere tutte le sfide MAV da sola. I partenariati sono in corso per sfruttare diverse competenze.

Architettura di Marte della NASA e studi MAV

Gli studi di progettazione della NASA sono stati focalizzati su un veicolo a due stadi utilizzando motori solidi per la prima fase e un ibrido a combustibile solido-liquido per la seconda fase. Questo progetto minimizza la complessità dello sviluppo, raggiungendo le prestazioni necessarie per una missione di ritorsione del campione.

SpaceX’s Starship come MAV?

Lo SpaceX di Elon Musk ha proposto di utilizzare la nave stellare stessa come veicolo di salita di Marte. La nave stellare è massiccia (120 t massa secca) e dovrebbe essere rifornito su Marte per tornare sulla Terra. Questo richiede un enorme impianto ISRU che produce centinaia di tonnellate di metano e ossigeno - molto oltre la capacità attuale. Tuttavia, se tale infrastruttura è stabilita, Starship potrebbe fornire ampio volume abitabile e sicurezza dell'equipaggio.

Contributi dell'ESA e dell'Internazionale

L'Agenzia Spaziale Europea (ESA) sta contribuendo alla campagna Mars Sample Return[] con l'Orbiter di Ritorno Terra (ERO) e un rover di fetch. L'ESA studia anche le tecnologie ISRU, come l'estrazione dell'acqua dal reggilito marziano.

Tecnologie emergenti

Diversi tecnologie emergenti potrebbero alleviare le sfide del MAV:

  • Produzione additiva[[]: stampa 3D dei componenti motore (ad esempio, iniettori, camere di combustione) su Marte potrebbe ridurre il conteggio dei pezzi e attivare riparazioni in-situ.
  • Protezione termica avanzata[[[]: Aeroschell flessibili (ad esempio, Deceleratore Aerodinamico Gonfiabile Ipersonico) potrebbero essere utilizzati per rallentare il MAV durante l'ingresso prima dell'ascesa, ma aggiungono complessità.
  • Propulsione elettrica per l'innalzamento dell'orbita[: Mentre non adatto per l'ascesa, i propulsori elettrici potrebbero essere utilizzati per la seconda fase del MAV dopo aver raggiunto l'orbita, ma l'alta spinta necessaria per l'ascesa dell'equipaggio probabilmente richiede la propulsione chimica.

Conclusioni

La missione di Mars Ascent Vehicle per le missioni umane è una sfida multidimensionale che spinge i confini della propulsione, dei materiali, dell'autonomia e delle operazioni planetarie. Gli estremi ambientali di Marte — l'atmosfera sottile di CO2, il freddo intenso, le tempeste di polvere e la gravità bassa — richiedono soluzioni innovative per la progettazione del motore, il controllo termico e la mitigazione della polvere.

Il percorso in avanti è in costante progresso incrementale: raffinare le tecnologie ISRU, costruire e testare i prototipi in condizioni rilevanti per Marte e condurre missioni di ritorno dei campioni non sfruttate per dimostrare le prestazioni dei veicoli. La cooperazione internazionale e le partnership commerciali accelereranno questa linea temporale.