Посадка на другие планеты — дело весьма непростое

НаукаНаука

Отличной посадки на Титан, «Стрекоза»!

Внедрение в инопланетный мир всегда захватывающе. Особенно в самый необычный мир — и с принципиально новым способом приземления.

Николай Цыгикало

Автономный ядерный квадрокоптер для исследования Титана. Фото: NASA

Посадка на другие планеты — дело весьма непростое. В целом вроде бы ничего сложного: выйти от Земли на гиперболу перелета до цели, затем включением двигателя перейти на орбиту вокруг нее. И с этой орбиты так же перейти на орбиту посадки. В конце нужно погасить накопившуюся энергию снижения до уровня начала работы посадочной системы, включения двигателя или выпуска парашюта. Она обнулит высоту в заданном районе, с околонулевой скоростью.

Но простая схема посадки в действительности состоит из массы сложных процессов в разных условиях и средах. Практическое воплощение встречает кучу задач даже в самых простых случаях.

Сложные детали простой схемы

Что, например, сложного в посадке на Луну? Атмосферы нет, картина чисто баллистическая, хорошо расчетная. Но агрегаты, выполняющие посадку в этих простых условиях, имеют свое поведение — время реакции, текущую ошибку, другие моменты. При посадке лунных модулей «Аполлонов» из-за деталей процесса управления возникали раскачивающиеся движения посадочной ступени. Тяга ее главного двигателя не проходила точно через центр масс ступени. Потому что он непрерывно менялся, задаваемый сдвигом восьми с половиной тонн жидких масс в топливных баках. Несовпадение центра масс и линии силы тяги создавало плечо и вращающий конструкцию момент. Поворот ступени еще сильнее или по-другому сдвигал топливо в баках, смещая текущий центр масс ступени от линии силы тяги. Устранить совсем этот процесс не получилось, но его смогли перевести в колебательный. Управлять автоколебаниями оказалось проще, и  ступень в этом режиме садилась на Луну до обнуления посадочной тяги на успешной посадке.

Однако не всегда получается решать комплексы задач до нужного уровня. Ошибки системы управления полетом могут оказаться критическими по самым разным причинам — от неоптимальной архитектуры управления до выработки неверных данных, ошибок в работе, и многих других. Алгоритмических: переход из одной системы координат в  другую (с  орбиты посадки на посадочную вертикаль) не должен создавать проблем процессу управления. Браво долетевший аж до посадочной орбиты (а это немало, и было отлично исполнено) израильский «Берешит» разбился из-за этой категории ошибок. Что еще раз наглядно показывает: посадка на Луну и  сегодня дается не всем. И  с  недооценкой задач и без должной проработки ее не выполнить. Все критические ошибки посадки завершает баллистический финиш — упасть и разбиться. Реальность безошибочна в своих действиях. Значит, такой финал — следствие оказавшихся ключевыми ошибок создателей.

Посадки на планеты с  атмосферами испытывают и  используют аэродинамическое торможение. Его схема тоже проста: ориентация аппарата поперек траектории, горячий гиперзвуковой участок, холодеющий сверхзвуковой, и переход на дозвук и в вертикаль. На конечном участке работа выбранной системы приземления.

Компоновка перелетного модуля «Стрекозы» при входе в атмосферу

С атмосферой немного труднее

У атмосфер планет разные составы, плотности, вязкости и температуры с давлениями. Свое тормозное усилие парашют будет создавать в них на разных скоростях и высотах, разное время. Режим его работы может сильно отличаться в  начале и  конце парашютного участка. Поэтому, как у всех серьезных парашютных систем, лучше сделать последовательные выпуски разных парашютов. Выбранные каждый под свой режим, они удлиняют парашютный участок и повышают его эффективность. Например, сегодня первый парашют для Марса уже стандартно сверхзвуковой. Он выходит рано, еще на сверхзвуковом участке, и работает там на эффективном сжатии потока в прямом сверхзвуковом скачке уплотнения перед собой. После перехода на дозвук выйдет второй тормозной парашют, и не сам, а с помощью вытяжного стабилизирующего парашюта. Сперва, пока прикреплен, он стабилизирует аппарат; а освободившись, вытягивает в поток посадочный купол. Который может наполняться не сразу — сначала его кромку придерживает от быстрого наполнения система рифовки, только потом освобождая ее. Замедлением раскрытия снижается пик аэродинамической нагрузки на купол, резкий «хлопок» может порвать его. На дозвуковом этапе снижения могут использоваться и два главных парашюта, сменяющие друг друга.

Например, атмосфера Марса очень разреженная и холодная. Плотность на его поверхности составляет одну сотую от плотности земного воздуха у моря. С ростом высоты и эта небольшая плотность падает. Поэтому аэродинамическое торможение на Марсе, даже с малым углом наклона траектории (очень пологим, почти горизонтальным входом для растягивания газодинамического участка), быстро приводит к потере высоты. Вход начинается на высоте 125 км (78 миль) над поверхностью, запуская газодинамическую картину торможения, эффективную и дающую пик перегрузок.

Посадочный модуль, закрытый тепловым щитом и задней оболочкой, входит с  космической скоростью. И возникает важная баллистическая задача посадки: попасть в  заданный район. Небольшие ошибки по направлению в пространстве большой скорости дадут снос точки посадки от расчетной в  виде большого эллипса рассеивания. На газодинамическом участке этот разброс и создается сложным действием сил от сжатого газа на корпусе. Распределение сжатия зависит от разворота корпуса к встречному потоку. Управляя ориентацией, управляют точностью посадки. Посадишь точнее — сократишь на десятки километров и  годы путь марсохода к цели. Для этого работает реактивная система ориентации с двигателями. При посадке марсохода «Кьюриосити» за счет управляемого газодинамического участка эллипс отклонений посадочной точки был всего 20 км длиной; до него марсоходы садились в эллипсы размерами 150 на 20 км. Снижение скорости до значения числа Маха М = 2 начинает новый этап торможения.

Когда выпускать парашют?

Сверхзвуковой парашют на Марсе в процессе посадки марсохода «Кьюриосити», художественное изображение. Фото: NASA

Сверхзвуковой парашют современных посадочных модулей для Марса раскрывается на скорости около 400 м/с, при М = 1,5–1,8. Переход на дозвук происходит в нижних слоях, снижение становится близким к вертикальному. После этого выпускается посадочный парашют. Вертикальный участок снижения начинается в  нескольких километрах от поверхности планеты и занимает немного времени. Весь спуск традиционно неофициально называют «семь минут ужаса» — примерно столько, плюс-минус, длится неизвестность от образования атмосферной плазмы вокруг посадочного модуля, прекращающей связь с Землёй, до сигнала успешной посадки после приземления.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Как отключить старость Как отключить старость

Александр Суворов об одном из перспективных направлений борьбы со старением

Наука
Нет, Стоунхендж на самом деле не был древним календарем: ученые ошибались Нет, Стоунхендж на самом деле не был древним календарем: ученые ошибались

По мнению ученых, в дизайне Стоунхенджа есть нечто большее, чем просто календарь

ТехИнсайдер
Вакуумный корабль Вакуумный корабль

Отличным грузовым транспортом могут стать дирижабли, наполненные вакуумом

ТехИнсайдер
Рыба-кит: как стартап «Много лосося» живет внутри X5 Group Рыба-кит: как стартап «Много лосося» живет внутри X5 Group

Как компания X5 Group помогла стартапу «Много лосося»

Forbes
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
Пино-нуар с берега Волги: как делают вино в Самарской области Пино-нуар с берега Волги: как делают вино в Самарской области

Чем вина из Поволжья отличаются от южных и какие они на вкус?

СНОБ
Академик Леопольд Лобковский: я не увидел ответа в антропогенной теории потепления Академик Леопольд Лобковский: я не увидел ответа в антропогенной теории потепления

Академик Леопольд Лобковский: человек не виноват в глобальном потеплении

Наука
Валери Зоидова: «Грудь, попа, животик, — все было обцеловано!» Валери Зоидова: «Грудь, попа, животик, — все было обцеловано!»

Актриса Валери Зоидова — о новом открытии собственной сексуальности

Maxim
Земля. Прятки под мантией Земля. Прятки под мантией

Ядро Земли перестало вращаться, электромагнитное поле нашей планеты разрушается

Наука и жизнь
Да, шеф Да, шеф

«Медведь» — кулинарное душевное драмеди со звездой «Бесстыжих»

ЖАРА Magazine
В диких условиях В диких условиях

Сколько стоит отдых в заповедниках России

Деньги
Лагом: почему шведы такие счастливые — 5 шагов к благополучной жизни Лагом: почему шведы такие счастливые — 5 шагов к благополучной жизни

Культурологи вспомнили шведскую концепцию жизни

Psychologies
Прострелы, или Сны наяву Прострелы, или Сны наяву

Весной в степях, по сухим лугам можно увидеть сказочно красивый цветок

Наука и жизнь
«Дейзи Джонс и The Six»: красивая мелодрама о вымышленной рок-группе в стиле 1970-х «Дейзи Джонс и The Six»: красивая мелодрама о вымышленной рок-группе в стиле 1970-х

Сериал «Дейзи Джонс и The Six» — аутентичная история о любви и саморазрушении

Forbes
Дани Редд: «Арктический клуб любителей карри». Дорога к Третьему полюсу Дани Редд: «Арктический клуб любителей карри». Дорога к Третьему полюсу

Отрывок из книги Дани Редд — как рецепты из маминой книги помогают героине

СНОБ
ДНК 4 президентов США отправят в космос. Узнайте, зачем это нужно ДНК 4 президентов США отправят в космос. Узнайте, зачем это нужно

В 21 веке ученые, как никогда раньше, обеспокоены сохранением важной информации

ТехИнсайдер
В доме на Невском В доме на Невском

Интерьер этой квартиры привлекает изяществом и оригинальными решениями

Идеи Вашего Дома
Корень инфантилизма: почему мы не можем взять ответственность за собственную жизнь Корень инфантилизма: почему мы не можем взять ответственность за собственную жизнь

В чем заключаются причины инфантильного поведения?

Forbes
5 симптомов того, что тебя настиг кризис среднего возраста 5 симптомов того, что тебя настиг кризис среднего возраста

Кризис среднего возраста: на какие тревожные звоночки следует обратить внимание

Maxim
11 мифов о здоровье 11 мифов о здоровье

Пора уже перестать верить в заблуждения о здоровье

Лиза
Маховик эволюции Маховик эволюции

Эволюция жизни на Земле непрерывна и в этом смысле сравнима с вечным двигателем

Наука и жизнь
Как я встретила отца спустя 15 лет: история родительской ссоры глазами дочери Как я встретила отца спустя 15 лет: история родительской ссоры глазами дочери

Как родители делают ребенка невольным заложником своих решений

Psychologies
Строит метро и ведет блог о котах: необычная история героини, которая мечтала быть «вне шаблона» Строит метро и ведет блог о котах: необычная история героини, которая мечтала быть «вне шаблона»

Возможно, история нашей героини послужит для вас вдохновением

Psychologies
На балийской вилле На балийской вилле

В небольшой квартире удалось создать аутентичную атмосферу тропической виллы

Идеи Вашего Дома
Мой дорогой мобильник: завершение истории о роли смартфона в жизни подростков Мой дорогой мобильник: завершение истории о роли смартфона в жизни подростков

Телефон как яблоко раздора между родителями и детьми

СНОБ
4 признака того, что вы плохо знакомы с собой 4 признака того, что вы плохо знакомы с собой

Как ни парадоксально, часто мы знаем самих себя лишь поверхностно

Psychologies
Темнокожая Русалочка и феминизм: почему Disney переделывает старые сказки для зумеров Темнокожая Русалочка и феминизм: почему Disney переделывает старые сказки для зумеров

Шок-контент или поклонение перед зумерами: как Disney меняет свои сказки

Forbes
Срочно перестаньте это делать: 11 вещей, которые ни в коем случае нельзя смывать в унитаз Срочно перестаньте это делать: 11 вещей, которые ни в коем случае нельзя смывать в унитаз

Эти 10 предметов — враги канализационных труб

ТехИнсайдер
Смертная уборка: мудрая шведская система наведения порядка, которая легче и понятнее, чем метод Мари Кондо Смертная уборка: мудрая шведская система наведения порядка, которая легче и понятнее, чем метод Мари Кондо

Дёстеднинг — шведское изобретение для обеспечения комфорта в доме

VOICE
Где лежит настоящее Где лежит настоящее

Светлана Адоньева о том, где живут традиции и почему не нужно их возрождать

Seasons of life
Открыть в приложении