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
Летящие над водой: что такое гидрофойл и почему это круто Летящие над водой: что такое гидрофойл и почему это круто

Как появились гидрофойлы и какими они бывают?

ТехИнсайдер
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
Что такое Cadillac Lyriq? Краткий обзор Что такое Cadillac Lyriq? Краткий обзор

Невероятный электромобиль Cadillac Lyriq

4x4 Club
Вакуумный корабль Вакуумный корабль

Отличным грузовым транспортом могут стать дирижабли, наполненные вакуумом

ТехИнсайдер
Александр Долгих. Про скорость, концентрацию и количество аварий Александр Долгих. Про скорость, концентрацию и количество аварий

Водить машину не так уж и сложно

4x4 Club
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
Исследование «Мультивселенных» поможет найти лучшие условия для жизни Исследование «Мультивселенных» поможет найти лучшие условия для жизни

Наша Вселенная — это весь мир или может существовать что-то большее?

ТехИнсайдер
«Азбука вкуса» пошла в огород «Азбука вкуса» пошла в огород

«Азбука вкуса» начала самостоятельно выращивать овощи для своих магазинов

Агроинвестор
Психологический триллер «Айта»: суд Линча во глубине сибирских руд Психологический триллер «Айта»: суд Линча во глубине сибирских руд

Степан Бурнашев — о психологических темах в своем фильме «Айта»

Psychologies
Собираясь к Ганимеду Собираясь к Ганимеду

Европейское космическое агентство готовится к запуску зонда в систему Юпитера

Популярная механика
Несгибаемая Мишель Йео: как актриса боролась со стереотипами Голливуда и победила Несгибаемая Мишель Йео: как актриса боролась со стереотипами Голливуда и победила

Forbes Woman рассказывает о долгом пути Мишель Йео к признанию

Forbes
Наши бестселлеры: 5 лучших фэнтези-романов от российских писательниц Наши бестселлеры: 5 лучших фэнтези-романов от российских писательниц

Дайте русскому фэнтези шанс, и оно вас по-настоящему удивит!

ТехИнсайдер
Мизантроп: псих или перестраховщик Мизантроп: псих или перестраховщик

Что такое мизантропия?

ТехИнсайдер
Идеальный баланс Идеальный баланс

Основной особенностью этого интерьера стала его многослойность

SALON-Interior
Европейские диктаторы, средневековые ученые и универсальные люди: 6 книг, которые помогут погрузиться в историю Европейские диктаторы, средневековые ученые и универсальные люди: 6 книг, которые помогут погрузиться в историю

Как обычно заканчиваются диктаторские режимы?

ТехИнсайдер
Маммопластика Маммопластика

Все плюсы и минусы маммопластики

Здоровье
Чечевица Чечевица

Блюда из чечевицы заново обретают популярность, а мы разбираемся в их пользе

Здоровье
В египетском храме нашли полную картину зодиаков. Удивительная находка! В египетском храме нашли полную картину зодиаков. Удивительная находка!

Увлечение астрологией возникло не в 21 веке!

ТехИнсайдер
Принятие, образование, творчество: кто и как помогает людям с синдромом Дауна Принятие, образование, творчество: кто и как помогает людям с синдромом Дауна

Инициативы, которые помогают людям с синдромом Дауна развивать свой потенциал

Forbes
Лицензия на потребление Лицензия на потребление

Как Джеймс Бонд превратил Холодную войну в развлечение

Weekend
Чем опасна «волчья ягода»: можно ли от нее умереть? Чем опасна «волчья ягода»: можно ли от нее умереть?

Есть волчьи ягоды действительно небезопасно. Так чем же они опасны?

ТехИнсайдер
Зов далеких островов Зов далеких островов

Дальний Восток России — регион с обилием уникальных природных ландшафтов

Y Magazine
«Ген. Очень личная история» «Ген. Очень личная история»

Как концепция гена изменила мир

N+1
Гавриил Гордеев, продюсер по оригинальному контенту Okko: Мы формируем отношение россиян к отечественным кино и сериалам Гавриил Гордеев, продюсер по оригинальному контенту Okko: Мы формируем отношение россиян к отечественным кино и сериалам

Продюсер по оригинальному контенту Okko — о рецепте создания хита

СНОБ
Александр Малинин выдает дочерей замуж: что известно о девушках и их избранниках Александр Малинин выдает дочерей замуж: что известно о девушках и их избранниках

Рассказываем о дочерях Александра Малинина

VOICE
«Женщина в Азии себе не принадлежит»: как девочек воспитывают согласно традициям «Женщина в Азии себе не принадлежит»: как девочек воспитывают согласно традициям

Екатерина Манойло — о том, как семейное насилие лишает будущего

Forbes
Елена Шевченко Елена Шевченко

Как Елена Шевченко стала главной в Петербурге по пирожным

Собака.ru
Сергей Капица и дух просвещенья Сергей Капица и дух просвещенья

Исполнилось 50 лет интеллектуальной телепередаче «Очевидное-невероятное»

Наука
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
Открыть в приложении