Почему все недавно предложенные лунные посадочные модули имеют полезную нагрузку сверху?

Не имея доступа к собственной конструкторской документации этих посадочных модулей, дать однозначный ответ будет невозможно.

Тем не менее, есть несколько наблюдений и предположений, которые мы можем сделать. Во-первых, посадочные модули (их всего три, последние два — один и тот же посадочный модуль в разных конфигурациях).

1. Альтаир (LSAM), с экипажем , две ступени (не многоразовые), полезная нагрузка 14,5 тонны
2. Lockheed Martin Lunar Lander , с экипажем , полезная нагрузка 1 тонна, пребывание в течение 2 недель, многоразовый
3. Blue Origins ' Blue Moon ', с экипажем
4. Blue Origins ' Blue Moon ', робот , грузоподъемность 6,5 тонн

Также хотелось бы отметить Artemis of Draper, который имеет схожую конструкцию (сопло внизу, кабина экипажа вверху со стыковочным портом).

Все эти посадочные модули имеют некоторые общие черты, и на то есть веские причины. Прежде всего, вам нужна силовая установка, которая толкает транспортное средство вверх. У вас есть в основном два варианта для этого - боковые подруливающие устройства, такие как LES Crew Dragon, или одно или два сопла внизу. Боковые подруливающие устройства должны иметь дело с векторными потерями и выхлопом, мешающим конструкции судна, что делает сопло (или два) внизу очень желательным выбором конструкции.

Это делает очень, очень желательным , чтобы стыковочный порт располагался точно по центру верхней части судна. Потому что таким образом центр масс/гравитации остается выровненным с вектором тяги после стыковки. Именно это позволило LM действовать в качестве основной двигательной установки на Аполлоне-13, спасая экипаж. Если ЦТ не выровнен с ЦТ, любой прожиг LM привел бы к неконтролируемому падению. Кроме того, если сопло и стыковочный порт находятся на противоположных концах, вам не нужно беспокоиться о том, что выхлоп будет мешать конструкции пришвартованного судна.

Наличие стыковочного порта наверху делает очень желательным иметь кабину экипажа с сосудом под давлением наверху, поскольку вам не нужен длинный герметичный туннель, проходящий через всю длину корабля. В случае Альтаира, который был двухступенчатым посадочным модулем, вам в любом случае нужно было иметь кабину экипажа на этапе подъема, и снова нужна двигательная установка, которая также была бы ориентирована вниз на этапе подъема.

Размещать вещи вокруг сопла - не лучшая идея из-за подвеса, и вы не хотите размещать вещи в области, оставленной свободной для дорожного просвета. Сами двигатели должны быть прикреплены непосредственно к основному планеру, чтобы распределить нагрузки на весь каркас - размещать их в хлипких фермах далеко от корпуса - не лучшее решение, потому что фермы добавляют лишний вес и могут легко сломаться. . Гораздо более осуществимо просто разместить двигатели сбоку, как SuperDracos на Crew Dragon (со всеми вытекающими отсюда недостатками) или в виде одного сопла внизу.

Кроме того, вам следует избегать чрезмерной сантехники, поэтому, где бы вы ни устанавливали двигатели, топливные баки должны быть рядом. Если у вас двигатель внизу, топливные баки тоже окажутся внизу. Это также проблема предложенной конструкции, где двигатель висит на фермах - там должна быть сантехника со всеми сопутствующими проблемами (терморегулирование, насосы, выплескивание, незаполненный объем). Вы не хотите, чтобы поток топлива создавал крутящий момент на вашем судне, и вы не хотите, чтобы ваши топливопроводы замерзали или перегревались. Поток топлива сверху вниз из расположенного рядом бака гораздо более осуществим во всех этих аспектах.

Это оставляет вас с бортами спускаемой ступени / судна и пространством между кабиной экипажа и топливными баками. И именно туда помещаются полезные нагрузки . В любом случае у Blue Moon должен быть кран, поскольку предполагается, что он будет работать автономно. Каждый полезный груз, который не может самостоятельно покинуть грузовой отсек, должен опускаться на поверхность с помощью крана или робота-манипулятора. Таким образом, размещение отсека полезной нагрузки в значительной степени продиктовано правильной балансировкой веса как с полными, так и с пустыми баками, а также с полными и пустыми отсеками полезной нагрузки. А в экипажной конфигурации экипажное судно ставится на первое место по причинам, перечисленным выше.

Для двух других посадочных модулей мы не можем видеть, где находится полезная нагрузка. Но можно с уверенностью предположить, что они также будут в отсеках по бокам корабля. Остается только вопрос, почему у этих посадочных модулей такой большой дорожный просвет. Я подозреваю, что высокий дорожный просвет связан с тем, что посадочные модули намного больше, чем Apollo LM. Но если вы посмотрите на космический корабль SpaceX, дорожный просвет еще выше, что делает отсеки для полезной нагрузки на дне недоступными с поверхности без какой-либо другой помощи, такой как лестницы, лифты или краны.

Это оставляет вопрос, почему эти посадочные модули такие высокие, а не имеют форму блина. И это связано с пространством обтекателя и устойчивостью в полете. Гораздо сложнее сбалансировать блин на одном сопле ракеты, чем сбалансировать судно в форме дротика, просто из-за геометрии (высокий CoM означает, что у вас есть длинный рычаг с карданным соплом). Это в равной степени относится и к ракете, запускающей судно с Земли, ограничивая диаметр обтекателя немного большим, чем диаметр ракеты.

В целом все посадочные модули заканчиваются одинаково (сопло внизу, посадочные опоры с большим клиренсом, цилиндрическая форма со значительно большей длиной, чем радиусом, кабина экипажа наверху), потому что все они должны бороться с одними и теми же ограничениями, и никто нашла действительно инновационный дизайн, который произведет революцию в этом. Что неудивительно, все самолеты имеют одинаковую базовую форму, как и все корабли, подводные лодки и автомобили.

Небесный кран потенциально может быть еще одним решением, которое позволит сбрасывать полезные грузы прямо на поверхность, но у небесного крана есть проблемы с возможностью повторного использования (ему нужно дважды подняться и спуститься , один раз для сброса и еще раз для подъема), и поэтому он только хорошее решение для сброса груза без возможности повторного использования (чтобы его можно было потом разбить, как тот, что используется для Curiosity). Но сомнительно, чтобы небесный кран обеспечивал больше полезного грузового пространства / веса, чем распаковка материалов, хранящихся на более традиционном посадочном модуле.

Без доступа к запатентованным проектным исследованиям невозможно дать количественный анализ плюсов и минусов каждого подхода. Если кто-нибудь может дать лучший ответ из источника, я с удовольствием удалю этот.

@polygnome охватывает множество мотивов дизайна, я полагаю, что они охватывают общую картину, но добавление из моего маленького уголка академических кругов:

Одной из проблемных областей (источник: НАСА предоставило финансирование, хотя из того, что я могу сказать, НАСА обеспокоено и обеспечивает финансирование всего), является распыление твердых частиц и пыли, подхватываемых струей из двигателя, воздействующих на днище. . Этот выброс происходит быстро , и защита от него добавляет веса. Один центральный двигатель и более высокое положение корпуса корабля на опорах означают, что выбрасываемый материал может двигаться более вертикально, прежде чем он наткнется на что-то важное.

Это одна из многих причин, по которой посадки на Марс особенно сложны: из-за более мелких частиц пыли и сложных причин углы выброса выше. Отсюда и потребность в небесных кранах.

В предложении Dynetics Human Landing System топливные баки и двигатели расположены по обе стороны от кабины.

Причина в основном в том, чтобы изолировать обитаемую часть посадочного модуля до конца, который стыкуется с Лунными вратами. В двухступенчатых конструкциях это просто модуль подъема. Обитаемый объем тяжел по сравнению с конструкцией и топливными баками. Еще одним преимуществом является возможность отвести большую часть нижней части посадочного модуля под топливные баки, чтобы уменьшить количество водопроводных труб.

Лестницы и лифты не представляют особой проблемы на Луне из-за ее низкой гравитации.