Pesquisadores da Skoltech e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts analisaram várias dezenas de opções para escolher a melhor em termos de desempenho e custos para a 'última milha' de uma futura missão à Lua - na verdade, levar astronautas para a superfície lunar e voltar até a segurança da estação lunar em órbita. O artigo foi publicado na revista Acta Astronautica .

Desde dezembro de 1972, quando a tripulação da Apollo 17 deixou a superfície lunar, os humanos estão ansiosos para retornar à lua. Em 2017, o governo dos EUA lançou o programa Artemis, que pretende trazer "a primeira mulher e o próximo homem" ao pólo sul lunar até 2024. A missão Artemis usará uma nova plataforma orbital, apelidado de Portal Lunar, que será uma estação espacial permanente a partir da qual módulos reutilizáveis ​​trarão os astronautas de volta à lua. Esta nova abordagem requer uma reanálise das abordagens de pouso ideais; as empresas privadas contratadas pela NASA para projetar os módulos de pouso reutilizáveis ​​estão conduzindo esta pesquisa, mas mantendo suas descobertas para si mesmos.

Skoltech M.Sc. estudante Kir Latyshev, Ph.D. estudante Nicola Garzaniti, Professor Associado Alessandro Golkar, e Edward Crawley, do MIT, desenvolveu modelos matemáticos para avaliar as opções mais promissoras de sistemas de pouso humanos para uma futura missão Artemis. Por exemplo, o programa Apollo usava arquitetura de 2 estágios, quando o Módulo Lunar Apollo, consistindo em módulos de descida e subida, foi capaz de transportar duas pessoas para a superfície lunar e voltar para cima, deixando o módulo de descida para trás.

A equipe assumiu que o Portal Lunar está localizado em L2 perto da órbita do halo retilíneo, a opção atualmente preferida que tem a estação orbitando o ponto L2 Lagrange de uma forma que torna mais fácil pousar no pólo sul lunar. Eles também modelaram uma expedição de quatro astronautas, que vai passar cerca de sete dias na lua. Os cientistas consideraram o número ideal de estágios e os propelentes preferidos para o sistema. No total, eles passaram por 39 variantes do futuro sistema de aterrissagem humana lunar, também modelando o custo para as opções mais promissoras.

A equipe passou por uma abordagem abrangente para avaliar conceitos alternativos de pousadores lunares humanos, olhando para um amplo número de opções usando modelos de triagem arquitetônicos. Eles primeiro definiram o conjunto-chave de decisões arquitetônicas a serem tomadas, como o número de estágios e o tipo de propulsor a ser empregado em cada estágio da sonda. Eles organizaram as informações em modelos matemáticos, e realizou uma exploração computacional abrangente de arquiteturas de sistema alternativas provenientes da combinação das diferentes decisões arquitetônicas. Finalmente, eles analisaram o espaço comercial resultante e identificaram as arquiteturas preferidas para consideração pelas partes interessadas preocupadas com o projeto de módulos lunares humanos.

Sua análise mostrou que, para sistemas de pouso descartáveis, como os usados ​​no programa Apollo, a arquitetura de 2 estágios é de fato a mais vantajosa, pois tem menores massas secas totais e cargas de propelente, bem como menores custos de lançamento por missão. Contudo, para veículos reutilizáveis ​​planejados para o programa Artemis, Os sistemas de 1 e 3 estágios tornam-se rapidamente comparáveis ​​em suas vantagens.

Com todas as suposições do artigo consideradas, o vencedor 'final' para uma série de missões lunares curtas do tipo 'surtida' é o módulo reutilizável de 1 estágio rodando em oxigênio líquido e hidrogênio líquido (LOX / LH2). Os autores observam que esta é uma análise preliminar, que não leva em consideração a segurança da tripulação, probabilidade de sucesso da missão, bem como considerações de riscos de gerenciamento de projetos - isso exigirá uma modelagem mais elaborada em um estágio posterior do programa.

Kir Latyshev observa que, para o programa Apollo, Os engenheiros da NASA fizeram uma análise semelhante e escolheram o módulo lunar de 2 estágios. Contudo, a arquitetura geral das missões lunares era diferente naquela época. Não tinha uma estação lunar orbital para manter o módulo lunar entre as missões, o que significa que todos os voos ALM devem ser executados diretamente da Terra. Também significava usar módulos lunares totalmente dispensáveis ​​(um novo veículo para cada missão), em oposição aos reutilizáveis ​​considerados hoje em dia. Além disso, sem a estação lunar, uma das opções atuais - o sistema de pouso de 3 estágios - não era possível.

"Interessantemente, nosso estudo descobriu que, mesmo com a estação orbital, se os veículos totalmente descartáveis ​​forem considerados, então, o sistema de pouso de 2 estágios (semelhante ao Apollo) ainda deve ter massas menores e, Portanto, custos mais baixos - o que meio que reconfirma a decisão da Apollo. Contudo, a reutilização muda isso. Embora os veículos de 1 e 3 estágios neste caso ainda sejam mais pesados ​​do que os de 2 estágios, eles permitem reutilizar mais da "massa do veículo" (aproximadamente 70-100% em comparação com cerca de 60% para a opção de 2 estágios) repetidamente, economizando dinheiro na produção e entrega de novos veículos para a estação orbital e tornando as missões lunares potencialmente mais baratas, "Latyshev diz.

Ele acrescenta que a consideração da segurança da tripulação é um fator importante no projeto de sistemas espaciais humanos que os autores não levaram em consideração em seu estudo. "Este fator de segurança pode afetar os resultados de qualquer maneira. Por exemplo, soluções de vários estágios podem oferecer oportunidades de retorno mais seguras em caso de emergência na órbita lunar de estacionamento antes da descida para a superfície do que nosso 'vencedor, "o sistema de 1 estágio:o veículo de descida ou de subida pode ser usado para retorno no caso de sistemas de 3 e 2 estágios em oposição ao estágio único do sistema de 1 estágio. Ao mesmo tempo, Espera-se que os sistemas de 2 e 3 estágios sejam mais complexos e, portanto, tenham mais riscos de avarias, em oposição à solução mais simples de 1 estágio. Portanto, há uma compensação novamente, "Latyshev explica.

A equipe planeja expandir o trabalho no futuro, com uma exploração abrangente da arquitetura do sistema de toda a infraestrutura de exploração necessária em futuros programas de voos espaciais humanos para exploração lunar.