Optimization of a Sample Return Mission from Mars: Mars Ascent Vehicle Design

Mars Sample Return Mission: Mars Ascent Vehicle Propulsion Design La missione Mars Sample Return (MSR) è la missione spaziale con l’obiettivo primario di portare sulla Terra campioni prelevati dal suolo marziano al fine di analizzarli negli stabilimenti di ricerca terrestri. Tale missione è da anni importante oggetto di studio da parte delle due principali agenzie spaziali, la European Space Agency (ESA) e la National Aeronautics and Space Administration (NASA). L’architettura della missione si sviluppa attraverso tre segmenti di lancio principali distanziati in un arco di tempo di circa sei anni, al fine di rispettare le finestre di lancio dettate dalla corretta fasatura planetaria Terra-Marte. I campioni marziani prelevati da parte di un Rover dedicato (trasportato tramite primo lanciatore Atlas) operante sul suolo di Marte dovranno essere depositati in un contenitore, l’Orbit Sample (OS) canister, il quale verrà successivamente posto in orbita bassa marziana (Low Mars Orbit, LMO) tramite il vettore Mars Ascent Vehicle (MAV). Quest’ultimo riveste un ruolo chiave in tutto lo scenario di missione: rappresenta infatti l’anello di giunzione tra le missioni di esplorazione su suolo marziano finora realizzate e finalizzate all’analisi in situ dei campioni raccolti, e quelle ancora non effettuate che prevedono l’immissione in orbita marziana, ed il successivo ritorno verso la Terra, di tali campioni. Il MAV, partendo dalla base di lancio su Marte in cui è posto il Lander (trasportato insieme al MAV dal secondo lanciatore Atlas) deve inserire il proprio carico pagante (payload), ossia l’OS, nell’orbita bassa marziana LMO di raggio pari a 500 Km ed inclinazione orbitale di 0°. Per portare a termine l’immissione dell’OS nella LMO, il MAV effettuerà una prima fase di ascesa e successivamente una manovra di immissione in orbita LMO dell’ OS; quest’ultimo dovrà attendere l’arrivo dell’Orbiter (affidato al terzo lanciatore Ariane), detto anche Mars Earth Return Vehicle (MERV). Il MERV, una volta raggiunte le vicinanze di Marte, effettuerà due manovre di inserzione, dette Mars Orbit Insertion (MOI maneuvers), raggiungendo una prima orbita ellittica esterna alla LMO, ed infine con una serie di manovre di rendezvous sarà in grado di raggiungere la LMO nella quale è stato posto il contenitore OS. Attraverso un dispositivo dedicato l’Orbiter è in grado di catturare il contenitore OS e depositarlo al suo interno. Una volta compiuta la fase di cattura, il MERV effettuerà due manovre, dette Transfer Earth Injection (TEI maneuvers), finalizzate all’uscita dall’atmosfera di Marte, per poter ritornare verso la Terra con il proprio payload seguendo una trasferta di Hohmann. Tramite foglio di calcolo sviluppato in Excel si è studiato il corretto dimensionamento del MAV partendo dai dati orbitali noti ed applicando le principali equazioni alla base della propulsione spaziale, prima fra tutte l’Equazione di Tsiolkosky. Partendo dall’analisi di un primo modello di MAV a due stadi a propulsione solida, si è successivamente effettuato il confronto con un secondo modello di razzo a due stadi a propulsione ibrida, mostrando come i parametri relativi ai cambi in velocità ed ai valori delle masse portino ad apprezzare l’architettura propulsiva ibrida al posto di quella solida, ed i cui vantaggi comportano uno svolgimento delle operazioni ottimali nel difficile ambiente marziano.