Как можно использовать аэродинамическое торможение для выхода на высокую орбиту без посадки?

Идея аэродинамического торможения обычно заключается в следующем:

1. Сделайте так, чтобы ваш выход на орбиту горел как обычно, но вместо того, чтобы замедляться до последней орбиты, замедлитесь настолько, чтобы попасть в плен к планете. (Это сжигание выполняется близко к планете с использованием эффекта Оберта для уменьшения количества необходимого топлива.) Вы окажетесь на высокоэллиптической орбите с перицентром (самой низкой точкой высоты) близко к планете.
2. На каждом последующем витке делайте небольшую поправку на апоазис (высотную точку). Наземная команда рассчитывает, насколько глубоко в атмосферу космический корабль может безопасно лететь, и вычисляет поправку, чтобы соответствующим образом скорректировать высоту перицентра. При каждом проходе через атмосферу сопротивление немного замедляет вас, уменьшая высоту апоцентра.
3. Когда у вас будет правильная высота апоазиса, сделайте прожог в апоазисе, чтобы вывести перицентр обратно из атмосферы.

Это выводит космический корабль на низкую марсианскую орбиту с существенно меньшим количеством топлива, чем потребовалось бы для прямого выхода на эту орбиту. Обратите внимание, что шаг 1 является необязательным: вы действительно можете использовать атмосферу для захвата на орбиту, но это довольно продвинутая версия аэродинамического торможения, называемая аэрозахватом. Это еще не было предпринято из-за требуемой точности и нагрузки на космический корабль.

Mars Reconnaissance Orbiter ( MRO) был примером космического корабля, который использовал аэродинамическое торможение на Марсе. Его начальная орбита составляла 300 км x 45 000 км (высота перицентра x высота апоцентра). Затем он в течение примерно шести месяцев выполнял долгие маневры по аэродинамическому торможению, снижая свою орбиту до 250 км x 316 км. Обратите внимание, что по мере того, как мы лучше узнаем атмосферу Марса, мы можем делать более низкие погружения, что ускоряет работу.

Вот примерное изображение того, как изменилась орбита MRO во время процедуры аэродинамического торможения:

Аэродинамическое торможение само по себе не поднимает перицентр, но маневр по поднятию перицентра не так уж и дорог, особенно если учесть, сколько топлива экономится в целом. Вообще говоря, аэроторможение может только отбирать энергию у космического корабля, делая невозможным что-то вроде подъема на орбиту (что требует увеличения энергии).

Упоминаемая «высокая орбита Марса» представляет собой эллиптическую орбиту с низким перицентром и высоким апоцентром. Обычно я вижу что-то вроде однодневной орбиты. Идея состоит в том, чтобы уменьшить количество топлива, необходимого для отлета с Марса и возвращения на Землю, что, однако, создает большую нагрузку на аппарат для подъема на Марс, который теперь должен достичь этой высокоэллиптической орбиты. Это общая массовая торговля, которая имеет тенденцию отдавать предпочтение сближению на эллиптической орбите для химических систем, особенно когда компоненты должны иметь сходную массу при выходе из Земли. (Однако я не думаю, что это произойдет именно так, поскольку мы, скорее всего, будем использовать электрические двигательные установки, которые благоприятствуют рандеву на низкой орбите Марса.)

Аэродинамическое торможение, помогающее выйти на орбиту Марса с гиперболического захода на посадку, называется аэрозахватом. Да, аэрозахват отлично работает для захвата на эллиптическую орбиту. Хотя вы не хотите, чтобы он был настолько эллиптическим, чтобы ваша неуверенность в аэрозахвате могла привести к тому, что вас вообще не захватят и не пролетят мимо Марса. Это было бы плохо.

После аэрозахвата необходимо выполнить двигательный маневр в апоапсисе, чтобы поднять перицентр и предотвратить второй вход в атмосферу. (Или, по крайней мере, отрегулируйте его, в случае высокого прохода аэродинамического торможения, чтобы точно настроить период орбиты.) Этот маневр невелик.