Wenn ein Lander zum Mond – oder einem felsigen Planeten, Asteroiden oder Kometen – hinabsteigt, interagiert die Abgasfahne der Rakete mit der Oberfläche, verursacht Erosion und wirbelt Regolith-Partikel auf. Die resultierende Decke aus staubigen Trümmern kann einen gefährlichen Brownout-Effekt erzeugen, die Sicht einschränken und möglicherweise das Raumfahrzeug oder in der Nähe befindliche Ausrüstung beschädigen.
In Physik der Flüssigkeiten, von AIP Publishing entwickelten Forscher der Chungnam National University, der University of Edinburgh, der Gyeongsang National University und des Korea Institute of Science and Technology Information ein Modell zur Beschreibung der Wechselwirkung zwischen einer Raketenfahne und der Oberfläche eines Planetenkörpers im Beinahe-Vakuum Bedingungen. Die Ergebnisse können verwendet werden, um die Sicherheit und Machbarkeit eines vorgeschlagenen Landeplatzes zu bewerten und das Design von Raumfahrzeugen und Raketentriebwerken für Planetenlandungen zu optimieren.
„Das Verständnis der Wechselwirkung zwischen der Raketenfahne und der Oberfläche ist wichtig für die Sicherheit und den Erfolg von Weltraummissionen in Bezug auf Kontamination und Erosion, Landegenauigkeit, Planetenschutz und technisches Design sowie für das wissenschaftliche Verständnis und die zukünftige Erforschung“, sagte er Autor Byoung Jae Kim von der Chungnam National University.
Das Rechengerüst nimmt Informationen über die Rakete, ihre Triebwerke, die Oberflächenbeschaffenheit und -topographie sowie die atmosphärischen Bedingungen und Gravitationskräfte am Landeplatz auf.
Indem die Wechselwirkung des Gases mit festen Partikeln als Gleichungssystem betrachtet wird, schätzt die Simulation die Form und Größe der Wolke, die Temperatur und den Druck der Wolke und der Oberfläche sowie die Menge des erodierten oder verdrängten Materials. Dies geschieht auf eine Weise, die recheneffizienter ist als frühere Methoden.
„Unser Tool kann das Problem der Schwadenoberflächeninteraktion auf grundlegender Ebene simulieren (z. B. Bildung von Kolkmustern und Entwicklung von Erosionsmodellen) und für praktische technische Anwendungen (z. B. Vorhersage von Partikelflugbahnen, um Schäden an der Landefähre und zuvor festgelegten Standorten zu vermeiden und den Abstieg zu planen /Aufstiegsszenarien)“, sagte Kim.
Im Modell erreichten kleine Regolith-Partikel große Höhen und verursachten beim Auf- und Abstieg starke Brownout-Effekte. Im Gegensatz dazu führten größere Partikel mit erhöhter Betthöhe zu einem günstigeren Brownout-Status.
„Die aus dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse über die Auswirkungen verschiedener Parameter auf die Wechselwirkung zwischen Wolke und Oberfläche können die Entwicklung effektiverer und effizienterer Landetechnologien beeinflussen“, sagte Kim. „Die Studie wirft auch Licht auf die geschmückten Kolkmuster, die auf Planetenoberflächen beobachtet werden können, was wertvolle Informationen für zukünftige wissenschaftliche Untersuchungen von Planetenkörpern liefern kann.“
Die Forscher planen, die Fähigkeiten des Frameworks zu verbessern, um komplexere Physik wie chemische Reaktionen und Kollisionen fester Teilchen einzubeziehen. Sie glauben, dass das Modell auf andere physikalische Szenarien angewendet werden kann, einschließlich nadelfreier Arzneimittelabgabesysteme.