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

Силой мысли, или что обещает нам Илон Маск Силой мысли, или что обещает нам Илон Маск

Чего же Маск хотел в сфере нейроинтерфейсов, что сделал и что сможет сделать

Популярная механика
Владелец Regent — о пяти слагаемых ресторанного бизнеса и винной карте Владелец Regent — о пяти слагаемых ресторанного бизнеса и винной карте

Ресторатор Алексей Пинский — о балансе меню и нюансах составления винной карты

РБК
Энергия под контролем Энергия под контролем

Водородная и альтернативная энергетика а также её защита

Наука
Великий шутник Российской империи Великий шутник Российской империи

Один из примеров реформистской деятельности Петра I, а именно самый смешной

Правила жизни
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
Компьютеры будут работать на человеческих клетках? Технологии будущего! Компьютеры будут работать на человеческих клетках? Технологии будущего!

Вы поразитесь тому, как будут устроены биокомпьютеры будущего!

TechInsider
Юрий Каспарян Юрий Каспарян

Солист группы «Кино» Юрий Каспарян — о прошлом и настоящем группы

Maxim
Ирина Старшенбаум: «Мой личный выбор всегда зависит только от режиссера» Ирина Старшенбаум: «Мой личный выбор всегда зависит только от режиссера»

Самая яркая актриса нового поколения — о психологических основах своей профессии

Эксперт
Технарь и гуманитарий. Откуда взялась эта пара? Технарь и гуманитарий. Откуда взялась эта пара?

Наука жёстко делится русским языковым сознанием на два материка

Наука и жизнь
День тэнкиста День тэнкиста

Первый автомобиль китайского бренда «Тэнк» – серьезный внедорожник

Автопилот
Лекарство от депрессии Лекарство от депрессии

Как Вторая мировая сделала из США сверхдержаву

Деньги
10 женщин, возглавляющих IT-подразделения в крупнейших международных компаниях 10 женщин, возглавляющих IT-подразделения в крупнейших международных компаниях

Список самых перспективных директоров по информационным технологиям

Forbes
Почему человек, взглянув на солнце, чихает? По мнению ученых, все дело в генетической мутации Почему человек, взглянув на солнце, чихает? По мнению ученых, все дело в генетической мутации

Знакомо вам то чувство, когда очень хочется чихнуть, но не получается?

TechInsider
Новые лица: пять молодых театральных актеров, за которыми стоит следить Новые лица: пять молодых театральных актеров, за которыми стоит следить

Пять самых интересных новых актеров московской сцены

Forbes
Когнитивный невролог Сара Мэннинг Пескин: «Истории о том, как ломается мозг» Когнитивный невролог Сара Мэннинг Пескин: «Истории о том, как ломается мозг»

Сара Мэннинг Пескин рассказывает об уязвимости человеческого мозга

СНОБ
Полезные и вредные молекулы: как витамины и лекарства влияют на наше состояние Полезные и вредные молекулы: как витамины и лекарства влияют на наше состояние

Жизнь человека способна изменить одна молекула

Inc.
Москву окольцевали Москву окольцевали

В Москве запущена Большая кольцевая линия метро — длиннейшее метрокольцо в мире

Эксперт
Товарищ майор: почему все обсуждают игру Atomic Heart Товарищ майор: почему все обсуждают игру Atomic Heart

Почему Atomic Heart так затягивает?

Правила жизни
Как правильно питаться весной: советы эксперта Ба Цзы Как правильно питаться весной: советы эксперта Ба Цзы

Весной энергия Ян начинает возрастать, но она еще недостаточно сильна

VOICE
Как домашние животные портят квартиры и жизнь хозяевам. Забавные фото и истории! Как домашние животные портят квартиры и жизнь хозяевам. Забавные фото и истории!

Познакомьтесь с животными-разрушителями, которых трудно не простить

TechInsider
Версальское унижение Версальское унижение

Документ, подписанный в 1919 году в Версале, положил конец Первой мировой войне

Дилетант
Недостающая деталь пазла: как ChatGPT может улучшить экономику брокеров Недостающая деталь пазла: как ChatGPT может улучшить экономику брокеров

Как ChatGPT помогает создавать дешевый контент

Forbes
Укололи и — пошел: главные тренды в инъекционной косметологии Укололи и — пошел: главные тренды в инъекционной косметологии

Как современные косметологи помогают коже не стареть?

Forbes
В чем разница между оливками и маслинами. Дело не только в цвете В чем разница между оливками и маслинами. Дело не только в цвете

Что такое маслины и чем они отличаются от зеленых оливок?

TechInsider
Почему нельзя покупать подержанную Toyota Camry. 10 главных причин Почему нельзя покупать подержанную Toyota Camry. 10 главных причин

Проблемы, которые может преподнести подержанная Toyota Camry

РБК
Путь Хирохито: почему император Японии избежал трибунала после Второй мировой войны Путь Хирохито: почему император Японии избежал трибунала после Второй мировой войны

Как император Хирохито начал войну, а после нее стал символом демократизации

Forbes
С едой на С едой на

РПП: что это за зверь такой и как это расстройство проявляется?

VOICE
Какой ужас: хохлатые пингвины всегда бросают свое первое яйцо. Но почему они поступают так жестоко? Какой ужас: хохлатые пингвины всегда бросают свое первое яйцо. Но почему они поступают так жестоко?

Почему хохлатые пингвины живут по спартанским законам?

TechInsider
Беременная (опять) Рианна и Сальма в Беременная (опять) Рианна и Сальма в

Модный парад на "Оскаре-2023"

VOICE
“Парадокс ожирения” развенчан. Ученые установили, что лишний вес повышает смертность “Парадокс ожирения” развенчан. Ученые установили, что лишний вес повышает смертность

Как жир влияет на здоровье человека?

TechInsider
Открыть в приложении