火星表面探査ミッションの場合、車両。火星科学研究所 (MSL) は、パラシュートやレトロロケットなどの減速システムを使用して大気中を飛行し、火星の表面に着陸する必要があります。エントリービークルは、ターゲットポイントに着陸する前に、その運動エネルギーのほぼ 99% を除去するために空力を利用する必要があります。
しかし、希薄で非常に不確実な雰囲気、エントリー状態のエラー、および車両設計の逸脱により、エントリー プロセスに課題が生じます。
最近の火星突入機は揚力制御ができるように設計されており、空気力を制御することで突入軌道を修正することができます。大気、進入状態、および車両設計の不確実性の下で潜在的に到達可能なフットプリントの評価は、火星ミッションの設計者が所定の目標点を更新する必要があるかどうかを判断するのに役立ちます。車両の経度と緯度の状態で構成されるフットプリントは、車両の位置と速度を表す、いわゆる到達可能セットのサブセットです (図 1 を参照)。
MSL は、これまでに成功した火星突入ミッションの最新の車両モデルです。高度 124 km、経度 -90 度、緯度 -44 度、速度 5.5 km/s、飛行経路で火星大気圏に突入する MSL の特定の突入ミッションがシミュレートされます。 -13 度の角度 (FPA) と 84 度の方位角。
完全なフットプリントを生成するのは、結果として集中的な計算が必要になるため困難です。したがって、問題の本質を失うことなく、計算効率のためにいくつかの計算上の仮定を行います。不確実性を考慮しない公称条件下でのフットプリントを図 2 に示します。つまり、理論上、車両はその制御能力の範囲内で安全に図 2 の領域に到達できます。しかし、以下の結果から、前述のようにエントリ動的パラメータに存在する不確実性がフットプリントに大きな影響を与えることがわかります。
これらの不確実性は正確にはわかっていませんが、その統計的特性は実験および測定データから得ることができます。初期 FPA、揚抗比、および大気密度の均一に分布した不確実性の下でのフットプリントの伝播を図 3 に示します。不確実性レベルは、初期 FPA で 0.2 度、揚抗比で 25% に設定され、大気密度で20%。フットプリントは、濃い青色の最小領域から明るい黄色の最大領域まで変化します。
フットプリントのダウンレンジの長さは、不確実性を考慮すると、約 301 km からほぼ 1563 km の範囲です。比較のために、公称ダウンレンジ長は 709 km です。したがって、火星ミッションの目標点をフットプリントの中心から遠くに設定すると、上記の不確実性の影響を受けて、所定の場所に到達できない可能性があります。さらに、ターゲット ポイントがフットプリントの中心から離れているほど、不確実性に敏感になります。
さらに、車両の安全設計では、g 負荷や熱保護などの不確実性も考慮する必要があります。エントリー車両の実際の g 負荷、加熱速度、および総熱量は、通常、変動し、不確定要素が存在するために事前に設計された制限を超える可能性があります。したがって、エントリ プロセスのミッション デザインは、より厳しい制約を考慮して、より保守的なものにする必要があります。
これらの調査結果は、ジャーナル Advances in Space Research に掲載された、多項式カオスを使用した惑星エントリの到達可能セットの不確実性分析というタイトルの記事で説明されています。この作業は、中国の国防技術大学の Yuechen Huang 博士、Haiyang Li 博士、Jin Zhang 博士によって主導されました。
