Como a tripulação do Ares 3 conseguiu voltar ao Hermes com sucesso?

O MAV era uma nave orbital ... seria quase inútil se não fosse. A razão pela qual ele precisa ser strongmente modificado, e por que NÃO alcança a órbita (mesmo que pudesse) é porque ele tem que combinar com a velocidade insanamente rápida do Hermes, como acontece com o fly-by. Um pouco de mecânica orbital, e o que aconteceu com o MAV após o encontro foi que ele escapou da gravidade de Marte completamente e entrou em uma órbita longa em torno do sol. Há uma pequena chance de cair no Sol, mas fazer isso acontecer é mais difícil do que você pensa.

Grande parte da ciência pesada por trás do pensamento marciano e da NASA em torno de Marte vem de um livro chamado The Case for Mars por Robert Zubrin. Embora seja um livro de políticas, é extremamente envolvente.

Estamos falando de planejamento de emergência nominal aqui - uma expedição sitiada por homens verdes é forçada a abortar em órbita no MAV. O MAV ascende a uma órbita de Marte e depois encontra o Hermes. O caso de Mark Watney (um encontro hiperbólico com o Hermes em voo marciano) é muito mais assustador já que a mecânica orbital não lhe dará outra oportunidade, e não será discutida nesta resposta.

Isso se resume a várias perguntas:

1. Qual é a inclinação do plano orbital Hermes? A julgar pela latitude do local de pouso Ares 3 não é inferior a 31,380 graus (equatorial). Podemos seguramente assumir que não é maior do que 32 graus (mais ou menos vários décimos devido à gravidade não-esférica e influência de Júpiter, etc.), uma vez que o único objetivo do Hermes neste estágio é pegar a expedição. quando eles voltam um mês depois.

2. Qual é a longitude do nó ascendente da órbita atual do Hermes? Este é o item crucial que nos dá a diferença entre o plano orbital do VAM e o plano orbital do Hermes (já que Marte gira em torno de seu eixo).

3. Quais são as reservas de combustível da Hermes para realizar uma manobra de troca de avião? Isso não é dado no livro, mas podemos supor que eles são suficientes para resgatar um VAM de uma órbita de emergência. Veja como isso é feito:

   • o Hermes liga seus motores VASIMR, disparando prograde (na direção do movimento orbital) em um arco específico de sua órbita, aumentando progressivamente a apoapsis (ponto orbital mais alto);
   • quando o Hermes está perto do nó orbital necessário em relação ao plano orbital alvo (o do MAV), ela dispara os VASIMRs em atitude normal ou antinormal (conforme necessário) por um tempo durante várias órbitas, girando o plano orbital mais perto do alvo;
   • depois que o plano é o mesmo que o alvo, os VASIMRs são disparados retrógrados (contra o movimento orbital) em um arco próximo à periapsia (ponto orbital mais baixo) para circularizar a órbita de volta.

Então, dependendo de quanto propelente o MAV deixou para o encontro, um esquema de encontro é executado.

TL; DR O controle remoto do Hermes deve permitir uma abortagem em órbita no MAV com o Hermes fazendo o "trabalho pesado" de mudança de plano orbital e manobras de encontro subseqüentes. O problema é que os motores VASIMR não são poderosos o suficiente para que isso seja feito rapidamente, então as reservas de suporte de vida do MAV devem ser suficientes para digamos uma semana assistindo filmes e ouvindo a discoteca (não corri o cenário numérico, então esta é apenas uma estimativa de estimativa).

Eles não usaram o veículo de pouso. Eles usaram o MAV (Mars Ascent Vehicle). Uma vez que este veículo é especificamente projetado para ser lançado a partir de Marte e atracar com a Hermes, ele não deve ter problemas para fazer isso.

Tenha em mente também que este veículo fazia parte do protocolo de abortar a missão. Como o uso do MAV para se conectar com a Hermes era a chave para a capacidade de abortar uma missão, a NASA teria de fazer isso funcionar.

Também como mencionado por Keen em um comentário:

In addition, the Hermes can be remote controlled. At one point in the book, Mark mentions a scenario they trained for where the MAV's second stage fails to ignite, leaving the crew in a lower orbit than the Hermes'. Mission Control would simply alter the course of the Hermes to intercept their lower orbit to pick them up.

Devido ao atraso, não acho que o Controle da Missão na Terra faria essa correção. Um candidato mais provável seria Martinez controlando Hermes do MAV (IMO). Independentemente disso, a capacidade da Hermes de ajustar a posição para encaixar com o MAV está lá quando necessário.

Em um comentário que você declarou:

Woops, that was my mistake, either way it's the same Vehicle Mark uses at the end of the movie. And is still limited to sub-orbit.

A altura orbital não é o problema quando Hermes pega Mark no final. O problema é que Hermes acelerou neste ponto a uma velocidade onde não pode orbitar Marte. Portanto, o problema não é que o MAV não possa alcançar o Hermes, o problema é que eles só têm uma chance de recuperar o Mark.

Para fazer backup das declarações feitas por Chris com informações do filme, Mark menciona que o MAV será explodiu em órbita quando ele está sentado no rover olhando para o Ares IV MAV. Esse MAV será strongmente modificado, é claro, mas há uma segunda citação relevante. Durante a cena em que o JPL está apresentando as modificações no Ares IV MAV, é mencionado que o MAV foi projetado apenas para "baixa órbita". Esta é uma prova de que o MAV foi capaz de orbitar Marte sem modificações .

Eu não vi o filme ainda. Mas vou citar um parágrafo da página 386 do livro:

Bruce slid the booklet across the desk to Venkat. "The problem is the intercept velocity. The MAV is designed to get to low Mars orbit, which only requires 4.1 kps. But the Hermes flyby will be at 5.8 kps."

Uma órbita baixa de Marte não é suborbital.

O Hermes está se movendo 5,8 quilômetros / segundo quando voa por Marte, que está acima da velocidade de escape de Marte.

O Hermes tem motores iônicos. Grande ISP mas com empuxo muito baixo. Levaria muito tempo para colocar os freios o suficiente para passar de uma órbita centrada no sol para uma órbita de captura de Marte. Assim, o Hermes tem que zumbir por Marte muito mais rápido do que a trajetória de encontro típica do MAV. Assim, o MAV tem que ser adaptado para coincidir com a velocidade de 5.8 km / segundo da Hermes.

Aqui está uma foto rápida (sem escala):

Low Mars Orbit é de cerca de 3,4 km / seg. Por que Bruce diz 4.1? Não tenho certeza, mas talvez porque o MAV iria incorrer em uma penalidade de perda de gravidade durante a subida.

Um problema relacionado

Baixo empuxo também significa que Hermes demora a pisar no acelerador. O trailer de Neil DeGrasse Tyson para O marciano tem Hermes partindo da órbita terrestre baixa (1 : 15). A uma aceleração de 2 milímetros / segundo ^ 2, Hermes demoraria mais de um mês para sair da gravidade da Terra. Isso destrói a trajetória de 124 dias da Weir da Terra para Marte. Consulte Teste de fatos da Neil deGrasse Tyson .