Velocidad de reentrada de la nave estelar al regresar de Marte: ¿Cuáles son las opciones?

Starship es limitada$\Delta V$significa que no puede alejarse demasiado de las transferencias mínimas de energía.

• 100t de carga útil + 120t de masa seca + 1200t de propelente + 380s$I_{sp}$ $\to$~$6900m/s$, resulta que esto no era un meme

Aquí hay un gráfico de porkchop de las próximas décadas de las trayectorias de Marte a la Tierra sujetas a$\Delta V < 6.9$ $km/s$(ignorando el combustible para el aterrizaje) desde una órbita baja de Marte (150 km), observe la escasez sobre la línea negra de 'fecha igual':

Esas son algunas velocidades de entrada ridículas en el extremo superior de la escala, aunque son poco comunes. Si restringimos la velocidad de entrada (inercial) a 12,9 km/s, la más alta jamás realizada por algo hecho por humanos (Stardust, 2006) , obtenemos algo como esto en el rango 2028-29:

El mínimo$V_{Entry}$para la década es$11.4$ $km/s$, aunque dado algunos de los más eficientes (~$2$ $km/s$ $\Delta V$) transfiere su posibilidad teórica de realizar un "quemado de frenado" previo a la entrada con el exceso de combustible restante para reducir significativamente la velocidad de entrada.

Crew Dragon usa PICA-X, un derivado de SpaceX (y una mejora) de PICA usado por Stardust. Es un material de protección térmica ablativo. Sospecho que el Starship actual usa algún tipo de material similar a PICA-X dada esta declaración en la página de Starship de SpaceX :

Starship entrará en la atmósfera de Marte a 7,5 kilómetros por segundo y desacelerará aerodinámicamente. El escudo térmico del vehículo está diseñado para resistir múltiples entradas, pero dado que el vehículo está entrando en la atmósfera de Marte tan caliente, aún esperamos ver cierta ablación del escudo térmico (similar al desgaste de una pastilla de freno) [.. .]

Dado el éxito de Stardust ( video muy bueno de Stardust entrando en la atmósfera ), probablemente sea seguro sospechar que el escudo térmico de Starship podría manejar una entrada directa, aunque solo sea una vez.

El aerofrenado es un problema difícil para el escudo térmico ablativo. Como se exploró en mi respuesta a ¿Cuál es el procedimiento de renovación del escudo térmico para una cápsula Dragon de la tripulación? PICA(-X) es muy capaz, pero el mecanismo subyacente de ablación no se presta a una reutilización rápida (es decir, pasadas repetidas de aerofrenado). Aquí hay una serie de gráficos que detallan tres trayectorias (todas$11.4$ $km/s$velocidad de entrada inicial): directa, aerocaptura a distancia ~lunar, aerocaptura máxima de 5 G junto con una referencia LEO.

Los gráficos de la fila superior muestran las trayectorias de vuelo y la fila inferior de los gráficos se puede interpretar como 'tensión del escudo térmico' como se explica en mi respuesta vinculada (flujo de calor VS presión de estancamiento).

Se puede ver que tanto el calentamiento alto (instantáneo) como la alta desaceleración se pueden evitar usando el aerofrenado, aunque la carga de calor integrada , un fuerte determinante del grosor del escudo térmico, permanece más o menos igual (~$200$ $kJ/cm^2$) para cada arquitectura de retorno de Marte, ~16 veces mayor que un retorno LEO.