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
Красная пустыня Красная пустыня

Каракумский пробег как орудие советской пропаганды

Автопилот
«Слишком много шума» «Слишком много шума»

Лев Ландау выделялся глубоким пониманием всех разделов физической науки

Наука
Неудобное право: что происходит с доступом к абортам в России Неудобное право: что происходит с доступом к абортам в России

Чем может грозить запрет абортов в России?

Forbes
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
Продуктивная жизнь сиамских близнецов, у которых на двоих был 21 ребенок: как они жили и работали Продуктивная жизнь сиамских близнецов, у которых на двоих был 21 ребенок: как они жили и работали

Рассказываем, как сиамские братья получили небывалую славу и завели 21 ребенка

ТехИнсайдер
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
Секонд-хенд с Патриков: как сервис ресейла люксовых сумок вырос в полтора раза за год Секонд-хенд с Патриков: как сервис ресейла люксовых сумок вырос в полтора раза за год

Как устроен ресейл люксовых сумок в России?

Forbes
Генералы песчаных карьеров Генералы песчаных карьеров

Шагающие экскаваторы, или драглайны, – самые большие мобильные наземные машины

ТехИнсайдер
Газлайтинг на работе: как распознать и защититься Газлайтинг на работе: как распознать и защититься

Что такое газлайтинг на рабочем месте? Разбираемся на примерах с экспертом

Psychologies
Человек и его бактерии Человек и его бактерии

Отвечаем на главные вопросы о кишечной микрофлоре

Популярная механика
Подарок судьбы Подарок судьбы

Это уже третья лодка, наружный дизайн которой разработали голландцы

Y Magazine
Пароход и человек Пароход и человек

Пароходы — важнейшая страница в истории человечества

Y Magazine
Эксперт рассказал, как гладить кота, чтобы он не злился на вас Эксперт рассказал, как гладить кота, чтобы он не злился на вас

Забавный факт: вашей кошке, вероятно, не нравится, как вы ее гладите

ТехИнсайдер
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
«Потанцуйте со мной»: каким получился байопик о Уитни Хьюстон «Потанцуйте со мной»: каким получился байопик о Уитни Хьюстон

Почему кино Кейси Леммонс теряется на фоне музыкальных байопиков последних лет

Forbes
Как дожить до 100: 6 простых секретов долголетия японцев Как дожить до 100: 6 простых секретов долголетия японцев

В чем именно заключается секрет долголетия жителей страны восходящего солнца.

VOICE
Инспектор ГИБДД попросил выйти из машины. Как себя вести Инспектор ГИБДД попросил выйти из машины. Как себя вести

Зачем инспектор ГИБДД просит выйти из машины и есть ли у него на это право?

РБК
Час расплаты: истории трех девушек, которые попали в кредитную кабалу Час расплаты: истории трех девушек, которые попали в кредитную кабалу

Взяла один кредит, потом другой, а дальше долги стали множиться

VOICE
Как пчелы делают мед: все секреты процесса получения природного десерта Как пчелы делают мед: все секреты процесса получения природного десерта

Мы все очень любим этот продукт, однако как пчелам удается его получить?

ТехИнсайдер
Кочевые игры Кочевые игры

Весной в горах Киргизии становится оживленно

Отдых в России
5 простых способов еще в примерочной понять, будешь ли ты носить вещь или нет: гид от стилиста 5 простых способов еще в примерочной понять, будешь ли ты носить вещь или нет: гид от стилиста

Как бороться с неприятными чувствами в примерочной и держать все под контролем?

VOICE
Как жалит муравей-пуля, самый опасный муравей в мире Как жалит муравей-пуля, самый опасный муравей в мире

Как муравей-пуля, или Paraponera clavata, получил свое название?

ТехИнсайдер
«Верунчик, сделай одолжение!» Почему опасно быть безотказной «Верунчик, сделай одолжение!» Почему опасно быть безотказной

Разбираемся, как отличить манипулятора и отстоять свои границы

Psychologies
Живи с комфортом Живи с комфортом

10 правил дизайна интерьера, которые сделают твой дом уютным и комфортным

Лиза
Самый жестокий эксперимент в истории, который доказал всему миру, что надежда умирает последней Самый жестокий эксперимент в истории, который доказал всему миру, что надежда умирает последней

Как Курт Рихтер доказал, что надежда действительно умирает последней

ТехИнсайдер
Популярный автор любовных романов рассказала, зачем мужчины читают книги этого жанра Популярный автор любовных романов рассказала, зачем мужчины читают книги этого жанра

Что общего у любовных романов и порнофильмов?

Maxim
Российская селекция застряла в прошлом Российская селекция застряла в прошлом

Российские селекционные компании готовы за несколько лет заместить импорт семян

Эксперт
За какой незарегистрированный тюнинг накажет ГИБДД. Об этом нужно знать За какой незарегистрированный тюнинг накажет ГИБДД. Об этом нужно знать

Список изменений в автомобилях, которые обязательно нужно регистрировать в ГИБДД

РБК
«Нужно рассказывать друг другу о себе» «Нужно рассказывать друг другу о себе»

Актер и режиссер Степан Бурнашев о своем фильме «Айта» и якутском кинематографе

Weekend
Открыть в приложении