¿Cómo se puede usar el aerofrenado para entrar en órbita alta sin aterrizar?

La idea con el aerofrenado suele ser hacer algo como lo siguiente:

1. Haga que su inserción orbital arda como de costumbre, pero en lugar de reducir la velocidad hasta su órbita final, disminuya la velocidad lo suficiente como para ser capturado por el planeta. (Esta quema se ejecuta cerca del planeta, usando el efecto Oberth para reducir la cantidad de combustible requerida). Terminarás en una órbita altamente elíptica con periapsis (punto de altitud más baja) cerca del planeta.
2. En cada órbita sucesiva, haz una pequeña corrección en el apoasis (punto de mayor altitud). El equipo de tierra calcula qué tan profundo en la atmósfera la nave espacial puede volar con seguridad y calcula la quema de corrección para ajustar la altitud del periápside en consecuencia. En cada pasada a través de la atmósfera, la resistencia te frena ligeramente, reduciendo tu altitud de apoapsis.
3. Cuando tenga la altitud de apoasis correcta, haga una quemadura en el apoasis para que el periápside vuelva a salir de la atmósfera.

Eso lleva a la nave espacial a una órbita marciana baja con sustancialmente menos combustible del que se necesitaría para entrar directamente en esa órbita. Tenga en cuenta que el paso 1 es opcional: en realidad puede usar la atmósfera para capturar en órbita, pero esta es una versión bastante avanzada de aerofrenado llamada aerocaptura. Todavía no se ha intentado debido tanto a la precisión requerida como a la tensión en la nave espacial.

El Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) fue un ejemplo de una nave espacial que usó aerofrenado en Marte. Su órbita inicial era de 300 km x 45 000 km (altitud del periapsis x altitud del apoapsis). Luego siguió una larga línea de tiempo de maniobras de frenado aerodinámico en el transcurso de unos seis meses y redujo su órbita a 250 km x 316 km. Tenga en cuenta que a medida que obtengamos un mejor conocimiento de la atmósfera de Marte, podemos hacer inmersiones más bajas, lo que hará que las cosas sean más rápidas.

Aquí hay una descripción aproximada de cómo cambió la órbita de MRO durante el procedimiento de aerofrenado:

El aerofrenado no eleva el periápside por sí solo, pero la maniobra de elevación del periápside no es tan costosa, especialmente considerando cuánto combustible se ahorra en general. En términos generales, Aerobraking solo puede quitarle energía a una nave espacial, por lo que es imposible hacer algo como elevar una órbita (que requiere un aumento de energía).

La "órbita alta de Marte" a la que se hace referencia es una órbita elíptica con un periapsis bajo y una apoapsis alta. Normalmente veo algo así como una órbita de período de un día. La idea es reducir la cantidad de combustible necesaria para salir de Marte y regresar a la Tierra, lo que, sin embargo, supone una carga mayor para el Mars Ascent Vehicle, que ahora tiene que alcanzar esta órbita altamente elíptica. Es un comercio masivo general que tiende a favorecer el encuentro en órbita elíptica para los sistemas químicos, especialmente cuando los componentes deben tener masas de salida de la Tierra similares. (Sin embargo, no creo que suceda de esta manera, ya que es muy probable que usemos sistemas de propulsión eléctrica, lo que favorecerá el encuentro en la órbita baja de Marte).

El aerofrenado para ayudar a capturar en la órbita de Marte desde un enfoque hiperbólico se conoce como aerocaptura. Sí, una aerocaptura funciona bastante bien para capturar en una órbita elíptica. Aunque no desea que sea tan elíptico que su incertidumbre de aerocaptura podría resultar en no ser capturado en absoluto y volar por Marte. Eso sería malo.

Después del evento de aerocaptura, se debe realizar una maniobra de propulsión en el apoapsis para elevar el periapsis y evitar una segunda entrada a la atmósfera. (O al menos ajústelo, en el caso de un pase de frenado aerodinámico alto para afinar el período de la órbita). Esa maniobra es pequeña.