I ricercatori di Skoltech e del Massachusetts Institute of Technology hanno analizzato diverse dozzine di opzioni per scegliere la migliore in termini di prestazioni e costi per l'"ultimo miglio" di una futura missione sulla Luna, portando effettivamente gli astronauti sulla superficie lunare e il backup la sicurezza della stazione lunare orbitante. Il documento è stato pubblicato sulla rivista Acta Astronautica .

Dal dicembre 1972, quando l'equipaggio dell'Apollo 17 lasciò la superficie lunare, gli umani sono stati ansiosi di tornare sulla Luna. Nel 2017, il governo degli Stati Uniti ha lanciato il programma Artemis, che intende portare "la prima donna e il prossimo uomo" al polo sud lunare entro il 2024. La missione Artemis utilizzerà una nuova piattaforma orbitale, soprannominato il portale lunare, che sarà una stazione spaziale permanente da cui moduli riutilizzabili riporteranno gli astronauti sulla Luna. Questo nuovo approccio richiede una rianalisi degli approcci di atterraggio ottimali; le società private incaricate dalla NASA di progettare i moduli di atterraggio riutilizzabili stanno conducendo questa ricerca, ma tenendo per sé le loro scoperte.

Skoltech M.Sc. studente Kir Latyshev, dottorato di ricerca allievo Nicola Garzaniti, Professore Associato Alessandro Golkar, e Edward Crawley del MIT ha sviluppato modelli matematici per valutare le opzioni più promettenti per i sistemi di atterraggio umano per una futura missione Artemis. Ad esempio, il programma Apollo utilizzava un'architettura a 2 stadi, quando il modulo lunare Apollo, composto da un modulo di discesa e di salita, è stato in grado di trasportare due persone sulla superficie lunare e tornare indietro, lasciando indietro il modulo di discesa.

Il team ha ipotizzato che il Lunar Gateway si trovi nella L2 vicino all'orbita dell'alone rettilineo, l'opzione attualmente preferita che ha la stazione in orbita attorno al punto di Lagrange L2 in un modo che rende più facile l'atterraggio sul polo sud lunare. Hanno anche modellato una spedizione di quattro astronauti, chi trascorrerà circa sette giorni sulla Luna. Gli scienziati hanno considerato sia il numero ottimale di stadi che i propellenti preferiti per il sistema. In totale, hanno attraversato 39 varianti del futuro sistema di atterraggio umano lunare, modellando anche il costo per le opzioni più promettenti.

Il team ha adottato un approccio globale per valutare concetti alternativi di lander umani lunari, esaminando un ampio numero di opzioni utilizzando modelli di schermatura architettonica. Hanno prima definito l'insieme chiave delle decisioni architettoniche da prendere, come il numero di stadi e il tipo di propellente da impiegare in ogni stadio del lander. Hanno organizzato le informazioni in modelli matematici, e ha eseguito un'esplorazione computazionale completa di architetture di sistema alternative derivanti dalla combinazione delle diverse decisioni architettoniche. Finalmente, hanno analizzato lo spazio commerciale risultante e identificato le architetture preferite da considerare da parte delle parti interessate interessate alla progettazione di lander lunari umani.

La loro analisi ha mostrato che per i sistemi di atterraggio sacrificabili come quelli utilizzati nel programma Apollo, l'architettura a 2 stadi è infatti la più vantaggiosa in quanto presenta sia masse a secco totali e carichi di propellente inferiori, sia minori costi di lancio per missione. Però, per i veicoli riutilizzabili previsti per il programma Artemis, I sistemi a 1 e 3 stadi diventano rapidamente comparabili nei loro vantaggi.

Con tutte le ipotesi del documento considerato, il vincitore "ultimo" per una serie di brevi missioni lunari di tipo "sorta" è il modulo riutilizzabile a 1 stadio che funziona con ossigeno liquido e idrogeno liquido (LOX/LH2). Gli autori osservano che si tratta di un'analisi preliminare, che non tiene conto della sicurezza dell'equipaggio, probabilità di successo della missione, nonché considerazioni sui rischi di gestione del progetto:ciò richiederà una modellazione più elaborata in una fase successiva del programma.

Kir Latyshev osserva che, per il programma Apollo, Gli ingegneri della NASA hanno fatto un'analisi simile e hanno scelto il modulo lunare a 2 stadi. Però, l'architettura complessiva delle missioni lunari era diversa allora. Non aveva una stazione lunare orbitante per mantenere il modulo lunare tra le missioni, il che significava che tutti i voli ALM dovevano essere effettuati direttamente dalla Terra. Significava anche utilizzare moduli lunari completamente sacrificabili (un nuovo veicolo per ogni missione), rispetto a quelli riutilizzabili considerati oggigiorno. A parte quello, senza la stazione lunare, una delle opzioni attuali, il sistema di atterraggio a 3 stadi, non era affatto possibile.

"Interessante, il nostro studio rileva che, anche con la stazione orbitante, se si considerano veicoli completamente sacrificabili, quindi il sistema di atterraggio a 2 stadi (simil-Apollo) dovrebbe avere ancora masse inferiori e, perciò, costi inferiori, il che in qualche modo riconferma la decisione dell'Apollo. Però, la riutilizzabilità lo cambia. Sebbene i veicoli a 1 e 3 stadi in questo caso siano ancora più pesanti di quelli a 2 stadi, consentono di riutilizzare più e più volte la "massa del veicolo" (circa il 70-100% rispetto a circa il 60% per l'opzione a 2 stadi), risparmiando così denaro sulla produzione e consegna di nuovi veicoli alla stazione orbitante e rendendo le missioni lunari potenzialmente più economiche, " dice Latyshev.

Aggiunge che la considerazione della sicurezza dell'equipaggio è un fattore importante nella progettazione di sistemi spaziali umani di cui gli autori non hanno tenuto conto nel loro studio. "Questo fattore di sicurezza può influenzare i risultati in entrambi i modi. Ad esempio, soluzioni a più stadi potrebbero offrire opportunità di ritorno più sicure in caso di emergenza nell'orbita lunare di parcheggio prima della discesa in superficie rispetto al nostro "vincitore, " il sistema a 1 stadio:sia il veicolo di discesa che quello di salita possono essere utilizzati per il ritorno in caso di sistemi a 3 stadi e a 2 stadi rispetto al singolo stadio del sistema a 1 stadio. Allo stesso tempo, I sistemi a 2 e 3 stadi dovrebbero essere più complessi e quindi avere maggiori rischi di guasti, rispetto alla più semplice soluzione a 1 stadio. Quindi c'è di nuovo un compromesso, "Spiega Latyshev.

Il team prevede di espandere il lavoro in futuro, con un'esplorazione completa dell'architettura del sistema dell'intera infrastruttura di esplorazione richiesta nei futuri programmi di volo spaziale umano per l'esplorazione lunare.