¿Por qué todos los módulos de aterrizaje lunar propuestos recientemente tienen cargas útiles en la parte superior?

Sin tener acceso a los documentos de diseño de propiedad de estos módulos de aterrizaje, será imposible dar una respuesta definitiva.

Sin embargo, hay algunas observaciones y conjeturas que podemos hacer . En primer lugar, los módulos de aterrizaje (son solo tres, los dos últimos son el mismo módulo de aterrizaje en diferentes configuraciones)

1. Altair (LSAM), tripulado , dos etapas (no reutilizable), carga útil de 14,5 toneladas
2. Lockheed Martin Lunar Lander , tripulado , carga útil de 1 tonelada, estancia de 2 semanas, reutilizable
3. Orígenes azules ' Blue Moon ', con tripulación
4. Blue Origins ' Blue Moon ', robótico , capacidad de carga útil de 6,5 toneladas

También me gustaría mencionar Artemis of Draper, que tiene una estructura similar (boquilla en la parte inferior, cabina de tripulación en la parte superior con puerto de atraque).

Todos estos módulos de aterrizaje tienen ciertas cosas en común, por una buena razón. En primer lugar, necesita un sistema de propulsión que empuje el vehículo hacia arriba. Básicamente, tiene dos opciones para esto: propulsores laterales como el LES de Crew Dragon o una o dos boquillas en la parte inferior. Los propulsores de montaje lateral tienen que lidiar con las pérdidas vectoriales y el escape que interfiere con la estructura de la embarcación, lo que hace que una boquilla (o dos) en la parte inferior sea una opción de diseño muy deseable.

Esto hace que sea muy deseable tener el puerto de atraque exactamente centrado en la parte superior de la embarcación. Porque de esa manera, el centro de masa/gravedad permanece alineado con el vector de empuje después del acoplamiento. Eso es lo que permitió que el LM actuara como sistema de propulsión principal en el Apolo 13, salvando a la tripulación. Donde el CoG no se alineó con el CoT, cualquier quemadura de LM habría introducido una caída incontrolable. Además, si la boquilla y el puerto de atraque están en extremos opuestos, no tiene que preocuparse de que el escape interfiera con la estructura de la embarcación atracada.

Tener el puerto de atraque en la parte superior hace que sea muy deseable tener la cabina de la tripulación con el recipiente a presión en la parte superior también, ya que no desea un túnel largo y presurizado que atraviese toda la longitud del barco. En el caso de Altair, que era un módulo de aterrizaje de dos etapas, debe tener la cabina de la tripulación en la etapa de ascenso de todos modos, y nuevamente necesita un sistema de propulsión que también esté orientado hacia abajo en la etapa de ascenso.

Poner cosas alrededor de la boquilla no es una buena idea debido al cardán, y no querrás poner cosas en el área que queda libre para la distancia al suelo. Los motores en sí deben estar conectados directamente al fuselaje principal para distribuir las cargas en todo el bastidor; colocarlos en armazones endebles lejos del cuerpo no es una buena solución, porque los armazones agregan peso adicional y pueden romperse fácilmente. . Simplemente poner los motores montados lateralmente como los SuperDracos en Crew Dragon (con todos los inconvenientes que eso conlleva) o como una sola boquilla debajo es mucho más factible.

Además, querrá evitar una plomería excesiva, por lo que donde quiera que coloque los motores, los tanques de combustible deben estar cerca. Si tiene un motor en la parte inferior, los tanques de combustible también terminarán en la parte inferior. Este también es un problema con el diseño propuesto en el que el motor cuelga de vigas: debe tener tuberías allí, con todos los problemas asociados (gestión térmica, bombas, chapoteo, vacío). No desea que el flujo de combustible imparta torque en su embarcación, ni desea que sus líneas de combustible se congelen o se sobrecalienten. El flujo de combustible de arriba hacia abajo desde un tanque cercano es mucho más factible en todos esos aspectos.

Eso te deja con los costados de la etapa / embarcación de descenso y el espacio entre la cabina de la tripulación y los tanques de combustible. Y ahí es donde se ponen las cargas útiles. Blue Moon necesita tener una grúa, de todos modos, ya que se supone que funciona de forma autónoma. Cada carga útil que no puede salir de la bahía de carga útil por sí sola debe ser depositada en la superficie por una grúa o un brazo robótico. Por lo tanto, la ubicación del compartimiento de carga útil depende en gran medida del equilibrio adecuado del peso, tanto con tanques llenos y vacíos como con compartimientos de carga llenos y vacíos. Y en la configuración con tripulación, la embarcación con tripulación se coloca en la parte superior por las razones enumeradas anteriormente.

Para los otros dos módulos de aterrizaje, no podemos ver realmente dónde se encuentran las cargas útiles. Pero es seguro asumir que también estarían en bahías a los lados del barco. Esto deja solo la pregunta de por qué esos módulos de aterrizaje tienen tanta distancia al suelo. Sospecho que la distancia al suelo alta se debe a que los módulos de aterrizaje son mucho más grandes que el Apollo LM. Pero si observa SpaceX Starship, la distancia al suelo es aún mayor, lo que hace que las bahías de carga útil en la parte inferior sean inaccesibles desde la superficie sin ninguna otra ayuda, como escaleras, ascensores o grúas.

Esto deja la pregunta de por qué esos módulos de aterrizaje son tan altos y no se forman más como un panqueque. Y eso tiene que ver con el espacio del carenado y la estabilidad en vuelo. Es mucho más difícil equilibrar un panqueque en una sola tobera de cohete que equilibrar un recipiente con forma de dardo, simplemente debido a la geometría (un CoM alto significa que tiene una palanca larga con la tobera cardánica). Esto es igualmente cierto para el cohete que lanza la nave desde la Tierra, lo que limita el espacio del carenado en diámetro a un poco más grande que el diámetro del cohete.

En general, todos los módulos de aterrizaje terminan de manera similar (boquilla en la parte inferior, patas de aterrizaje con una gran distancia al suelo, forma cilíndrica con una longitud significativamente mayor que el radio, la cabina de la tripulación en la parte superior) porque todos tienen que luchar contra las mismas limitaciones, y nadie ha encontrado un diseño verdaderamente innovador que revolucionaría esto. Lo cual no es sorprendente, todos los aviones tienen la misma forma básica, al igual que todos los barcos, submarinos y automóviles.

Una grúa aérea sería potencialmente otra solución que permitiría que las cargas útiles se dejaran caer directamente a la superficie, pero una grúa aérea tiene problemas con la reutilización (necesita hacer el ascenso y el descenso dos veces, una para dejar caer y otra para recoger), y por lo tanto es solo una buena solución para caídas de carga sin reutilización (para que luego se pueda bloquear, como la que se usó para Curiosity). Pero es cuestionable si una grúa aérea proporcionaría más espacio/peso de carga utilizable que el desembalaje de materiales almacenados en un módulo de aterrizaje más tradicional.

Sin acceso a los estudios de diseño patentados, es imposible dar un análisis cuantitativo de los pros y los contras de cada enfoque. Si alguien puede proporcionar una mejor respuesta, con gusto eliminaría esta.

@polygnome cubre muchas de las motivaciones de diseño, imagino que cubren el panorama general, pero una adición de mi pequeño rincón de la academia:

Un área de preocupación (fuente: la NASA proporcionó fondos, aunque por lo que puedo decir que la NASA está preocupada y proporciona fondos para todo), es el rocío de partículas y polvo, recogido por el chorro del motor, impactando la parte inferior . Esta eyección va rápido y el blindaje contra ella agrega peso. Un motor central y mantener el cuerpo de la nave más alto sobre las patas significa que el material expulsado puede ir más vertical antes de que golpee algo importante.

Esta es una de las muchas razones por las que los aterrizajes en Marte son particularmente difíciles, debido a las partículas de polvo más finas y razones complejas, los ángulos de eyección son más altos. De ahí la necesidad de grúas aéreas.

La propuesta del sistema de aterrizaje humano Dynetics tiene sus tanques de combustible y motores a ambos lados de la cabina.

La razón es principalmente para aislar la parte habitable del módulo de aterrizaje hasta el extremo que se acopla con Lunar Gateway. En los diseños de dos etapas, este es solo el módulo de ascenso. El volumen habitable es pesado en comparación con la estructura y los tanques de combustible. Otro beneficio es poder dedicar la mayor parte de la parte inferior del módulo de aterrizaje a los tanques de combustible para reducir las tuberías.

Las escaleras y los ascensores no son un gran problema en la Luna debido a su baja gravedad.