Διάδοση ίχνους για οχήματα εισόδου στον Άρη υπό αβεβαιότητα
Για την αποστολή εξερεύνησης της επιφάνειας του Άρη, ένα όχημα, π.χ. Το Mars Science Laboratory (MSL), θα πρέπει να πετάξει μέσα από την ατμόσφαιρα και να προσγειωθεί στην επιφάνεια του Άρη χρησιμοποιώντας συστήματα επιβράδυνσης, όπως αλεξίπτωτα και οπισθόρουχα. Το όχημα εισόδου πρέπει να κάνει χρήση της αεροδυναμικής δύναμης για να αφαιρέσει σχεδόν το 99% της κινητικής του ενέργειας πριν προσγειωθεί στο σημείο στόχο.
Ωστόσο, η λεπτή και εξαιρετικά αβέβαιη ατμόσφαιρα, τα σφάλματα των καταστάσεων εισόδου και η απόκλιση σχεδιασμού του οχήματος θέτουν προκλήσεις στη διαδικασία εισόδου.
Τα πρόσφατα οχήματα εισόδου στον Άρη έχουν σχεδιαστεί για να έχουν τη δυνατότητα ελέγχου ανύψωσης, έτσι ώστε η τροχιά εισόδου να μπορεί να τροποποιηθεί ελέγχοντας την αεροδυναμική δύναμη. Η αξιολόγηση του πιθανώς προσβάσιμου αποτυπώματος υπό αβεβαιότητες ατμόσφαιρας, καταστάσεων εισόδου και σχεδίασης οχημάτων θα βοηθήσει τους σχεδιαστές της αποστολής του Άρη να αποφασίσουν εάν το προκαθορισμένο σημείο στόχευσης πρέπει να ενημερωθεί. Το αποτύπωμα που αποτελείται από τις καταστάσεις γεωγραφικού μήκους και γεωγραφικού πλάτους του οχήματος είναι ένα υποσύνολο του λεγόμενου προσβάσιμου συνόλου που απεικονίζει τη θέση και την ταχύτητα του οχήματος (βλ. εικόνα 1).
Το MSL είναι το πιο πρόσφατο μοντέλο οχήματος στις επιτυχημένες αποστολές εισόδου στον Άρη μέχρι στιγμής. Προσομοιώνεται μια συγκεκριμένη αποστολή εισόδου για το MSL, στην οποία το όχημα εισέρχεται στην ατμόσφαιρα του Άρη με υψόμετρο 124 km, γεωγραφικό μήκος -90 μοίρες, γεωγραφικό πλάτος -44 μοίρες, ταχύτητα 5,5 km/s, διαδρομή πτήσης γωνία (FPA) -13 μοίρες και γωνία κατεύθυνσης 84 μοίρες.
Το πλήρες αποτύπωμα είναι δύσκολο να δημιουργηθεί λόγω του εντατικού υπολογισμού που προκύπτει. Ως εκ τούτου, κάνουμε κάποιες υπολογιστικές υποθέσεις για υπολογιστική αποδοτικότητα αλλά χωρίς απώλεια της ουσίας του προβλήματος. Το αποτύπωμα υπό ονομαστικές συνθήκες, στις οποίες δεν λαμβάνεται υπόψη η αβεβαιότητα, φαίνεται στο σχήμα 2. Δηλαδή, το όχημα μπορεί θεωρητικά να φτάσει στην περιοχή του σχήματος 2 εντός της ικανότητας ελέγχου του με ασφάλεια. Ωστόσο, μπορεί να βρεθεί από τα ακόλουθα αποτελέσματα ότι οι αβεβαιότητες που υπάρχουν στις δυναμικές παραμέτρους εισόδου, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, έχουν μεγάλες επιπτώσεις στο αποτύπωμα.
Αν και αυτές οι αβεβαιότητες δεν είναι γνωστές επακριβώς, τα στατιστικά χαρακτηριστικά τους μπορούν να ληφθούν με πειραματικά και μετρημένα δεδομένα. Η διάδοση του αποτυπώματος κάτω από ομοιόμορφα κατανεμημένες αβεβαιότητες στην αρχική FPA, τον λόγο ανύψωσης προς οπισθέλκουσα και την ατμοσφαιρική πυκνότητα φαίνεται στο σχήμα 3. Τα επίπεδα αβεβαιότητας ορίζονται ως 0,2 μοίρες στην αρχική FPA, 25% στην αναλογία ανύψωσης προς οπισθέλκουσα και 20% σε ατμοσφαιρική πυκνότητα. Το αποτύπωμα ποικίλλει από την ελάχιστη περιοχή σε σκούρο μπλε έως τη μέγιστη περιοχή σε έντονο κίτρινο.
Το μήκος καθόδου του αποτυπώματος κυμαίνεται από περίπου 301 km έως σχεδόν 1563 km λαμβάνοντας υπόψη τις αβεβαιότητες. Για σύγκριση, το ονομαστικό μήκος καθόδου είναι 709 km. Επομένως, εάν το σημείο στόχευσης της αποστολής του Άρη βρίσκεται μακριά από το κέντρο του αποτυπώματος, η προκαθορισμένη τοποθεσία μπορεί να μην είναι προσβάσιμη υπό την επίδραση των αβεβαιοτήτων που εξετάστηκαν παραπάνω. Εξάλλου, όσο πιο μακριά είναι το σημείο στόχευσης από το κέντρο του αποτυπώματος, τόσο πιο ευαίσθητο είναι στις αβεβαιότητες.
Επιπλέον, οι αβεβαιότητες θα πρέπει επίσης να λαμβάνονται υπόψη στη σχεδίαση ασφαλείας του οχήματος, όπως το φορτίο g και η θερμική προστασία. Το πραγματικό φορτίο g, ο ρυθμός θέρμανσης και η συνολική θερμότητα του οχήματος εισόδου συνήθως ποικίλλουν και ίσως υπερβαίνουν τα προσχεδιασμένα όρια λόγω της ύπαρξης αβεβαιοτήτων. Επομένως, ο σχεδιασμός της αποστολής της διαδικασίας εισόδου θα πρέπει να είναι πιο συντηρητικός λαμβάνοντας υπόψη τους αυστηρότερους περιορισμούς.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Ανάλυση αβεβαιότητας του προσιτού συνόλου για πλανητική είσοδο χρησιμοποιώντας πολυωνυμικό χάος, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Advances in Space Research. Επικεφαλής αυτής της εργασίας ήταν οι Yuechen Huang, Ph.D., Haiyang Li, Ph.D., και Jin Zhang, Ph.D., από το Εθνικό Πανεπιστήμιο Αμυντικής Τεχνολογίας της Κίνας.
