Onderzoekers van Skoltech en het Massachusetts Institute of Technology hebben tientallen opties geanalyseerd om de beste te kiezen in termen van prestaties en kosten voor de 'laatste mijl' van een toekomstige missie naar de maan - in feite het leveren van astronauten naar het maanoppervlak en terug naar de veiligheid van het in een baan om de aarde draaiende maanstation. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Acta Astronautica .

Sinds december 1972, toen de bemanning van Apollo 17 het maanoppervlak verliet, mensen staan ​​te popelen om terug te keren naar de maan. in 2017, de Amerikaanse regering lanceerde het Artemis-programma, die van plan is om "de eerste vrouw en de volgende man" tegen 2024 naar de zuidpool van de maan te brengen. De Artemis-missie zal een nieuw orbitaal platform gebruiken, genaamd de Lunar Gateway, dat een permanent ruimtestation wordt van waaruit herbruikbare modules astronauten terug naar de maan zullen brengen. Deze nieuwe benadering vereist een heranalyse van de optimale landingsbenaderingen; de particuliere bedrijven die door NASA zijn gecontracteerd om de herbruikbare landingsmodules te ontwerpen, voeren dit onderzoek uit, maar hun bevindingen voor zichzelf houden.

Skoltech M.Sc. student Kir Latyshev, doctoraat student Nicola Garzaniti, Universitair hoofddocent Alessandro Golkar, en Edward Crawley van MIT ontwikkelde wiskundige modellen om de meest veelbelovende opties voor menselijke landingssystemen voor een toekomstige Artemis-missie te beoordelen. Bijvoorbeeld, het Apollo-programma gebruikte tweetrapsarchitectuur, toen de Apollo Lunar Module, bestaande uit een afdalings- en klimmodules, was in staat om twee mensen naar het maanoppervlak te brengen en weer omhoog, de afdalingsmodule achterlatend.

Het team nam aan dat de Lunar Gateway zich in de L2 in de buurt van een rechtlijnige halobaan bevindt, de momenteel geprefereerde optie waarbij het station in een baan om het L2 Lagrange-punt draait op een manier die het gemakkelijker maakt om op de zuidpool van de maan te landen. Ze hebben ook een expeditie van vier astronauten gemodelleerd, die ongeveer zeven dagen op de maan zal doorbrengen. De wetenschappers overwogen zowel het optimale aantal fasen als de voorkeursdrijfgassen voor het systeem. In totaal, ze doorliepen 39 varianten van het toekomstige menselijke landingssysteem op de maan, ook het modelleren van de kosten voor de meest veelbelovende opties.

Het team onderging een alomvattende aanpak voor het beoordelen van alternatieve concepten van menselijke maanlanders, kijken naar een groot aantal opties met behulp van architecturale screeningmodellen. Eerst definieerden ze de belangrijkste reeks architecturale beslissingen die moesten worden genomen, zoals het aantal trappen en het type drijfgas dat in elk stadium van de lander moet worden gebruikt. Ze organiseerden de informatie in wiskundige modellen, en voerde een uitgebreide computationele verkenning uit van alternatieve systeemarchitecturen die voortkomen uit de combinatie van de verschillende architecturale beslissingen. Eindelijk, ze analyseerden de resulterende handelsruimte en identificeerden voorkeursarchitecturen voor overweging door belanghebbenden die zich bezighouden met het ontwerp van menselijke maanlanders.

Uit hun analyse bleek dat voor vervangbare landingssystemen zoals die gebruikt in het Apollo-programma, de 2-traps architectuur is inderdaad het meest voordelig omdat het zowel lagere totale droge massa's en voortstuwingsladingen heeft als lagere lanceringskosten per missie. Echter, voor herbruikbare voertuigen gepland voor het Artemis-programma, 1-traps en 3-traps systemen worden snel vergelijkbaar in hun voordelen.

Met alle aannames in de paper overwogen, de 'ultieme' winnaar voor een aantal korte 'sortie'-achtige maanmissies is de 1-traps herbruikbare module die draait op vloeibare zuurstof en vloeibare waterstof (LOX/LH2). De auteurs merken op dat dit een voorlopige analyse is, waarbij geen rekening wordt gehouden met de veiligheid van de bemanning, waarschijnlijkheid van missiesucces en overwegingen met betrekking tot projectbeheerrisico's - hiervoor zullen in een later stadium van het programma meer gedetailleerde modellen nodig zijn.

Kir Latyshev merkt op dat, voor het Apollo-programma, NASA-ingenieurs deden een vergelijkbare analyse en kozen voor de 2-traps maanmodule. Echter, de algehele architectuur van maanmissies was toen anders. Het had geen maanstation in een baan om de maan om de maanmodule tussen de missies te houden, wat betekende dat alle ALM-vluchten rechtstreeks vanaf de aarde moesten worden uitgevoerd. Het betekende ook het gebruik van volledig vervangbare maanmodules (een nieuw voertuig voor elke missie), in tegenstelling tot herbruikbare die tegenwoordig worden overwogen. Afgezien daarvan, zonder het maanstation, een van de huidige opties - het 3-traps landingssysteem - was helemaal niet mogelijk.

"Interessant, onze studie vindt dat, zelfs met het baanstation, als volledig vervangbare voertuigen worden overwogen, dan wordt verwacht dat het 2-traps (Apollo-achtige) landingssysteem nog steeds een lagere massa heeft en, daarom, lagere kosten - wat de Apollo-beslissing opnieuw bevestigt. Echter, herbruikbaarheid verandert dat. Hoewel 1-traps en 3-traps voertuigen in dit geval nog steeds zwaarder zijn dan de 2-traps, ze maken het mogelijk om meer van de 'voertuigmassa' (ongeveer 70-100% in vergelijking met ongeveer 60% voor de 2-traps optie) steeds opnieuw te hergebruiken, waardoor geld wordt bespaard op het produceren en leveren van nieuwe voertuigen aan het baanstation en het mogelijk goedkoper maken van maanmissies, ' zegt Latyshev.

Hij voegt eraan toe dat de veiligheid van de bemanning een belangrijke factor is bij het ontwerpen van menselijke ruimtesystemen, waar de auteurs in hun onderzoek geen rekening mee hebben gehouden. "Deze veiligheidsfactor kan de resultaten op beide manieren beïnvloeden. meertrapsoplossingen bieden mogelijk meer veilige terugkeermogelijkheden in geval van nood in de parkeerbaan van de maan voorafgaand aan de afdaling naar de oppervlakte dan onze 'winnaar, " het 1-traps systeem:bij 3-traps en 2-traps systemen kan zowel het afdalings- als het stijgend voertuig worden gebruikt voor de terugkeer, in tegenstelling tot de enkele trap van het 1-traps systeem. 2-traps en 3-traps systemen zullen naar verwachting complexer zijn en daarom meer risico op storingen hebben, in tegenstelling tot de eenvoudigere 1-traps oplossing. Er is dus weer een wisselwerking " legt Latyshev uit.

Het team is van plan om het werk in de toekomst uit te breiden, met een uitgebreide verkenning van de systeemarchitectuur van de gehele verkenningsinfrastructuur die nodig is in toekomstige bemande ruimtevaartprogramma's voor maanverkenning.