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

Вертолет, который смог Вертолет, который смог

Как Ingenuity собирает данные на Марсе

ТехИнсайдер
В коллайдере удалось зафиксировать «неуловимые» частицы В коллайдере удалось зафиксировать «неуловимые» частицы

Новая работа представляет собой первое прямое наблюдение коллайдерных нейтрино

ТехИнсайдер
Выживут только инфорги Выживут только инфорги

«Инфорги» — люди, которые придут на смену Homo Sapiens

Популярная механика
Михаил Миндлин — о том, как решить спор между музеями и РПЦ и где грань между идеологией и PR Михаил Миндлин — о том, как решить спор между музеями и РПЦ и где грань между идеологией и PR

Как решить спор о перевозке древних икон?

СНОБ
Пятнадцать лет на одно зернышко Пятнадцать лет на одно зернышко

Элитный картофель, конкурентоспособная свекла и зимостойкая пшеница

Наука
Почему вот здесь «стреляет» Почему вот здесь «стреляет»

Легко ли распознать защемление седалищного нерва и что с этим делать

Лиза
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
6 ошибок, которые родители допускают в общении с учителями 6 ошибок, которые родители допускают в общении с учителями

Кооперативная работа на благо ребенка: как договориться с педагогом?

СНОБ
Компьютерный мозг Компьютерный мозг

Как работают настоящие нейроморфные микросхемы

Популярная механика
Адреналина и зрелищ: самые экстремальные экологичные гонки Адреналина и зрелищ: самые экстремальные экологичные гонки

Что будет, если скрестить «дакар» и ралли-кросс на машинах с электродвигателями?

ТехИнсайдер
Спортивный интерес Спортивный интерес

Как банки улучшают привилегии для своих премиальных клиентов

Деньги
3 этапа развития либидо: от первой любви до счастливого брака 3 этапа развития либидо: от первой любви до счастливого брака

Почему попытки построить гармоничные отношения раз за разом дают сбой?

Psychologies
Археологи нашли древнейшие лук и стрелы в мире — им больше 54 000 лет Археологи нашли древнейшие лук и стрелы в мире — им больше 54 000 лет

Древние люди изготавливали луки и стрелы в Европе еще 54 000 лет назад

ТехИнсайдер
Северная легкость и южная сочность: гид по армянским винам Северная легкость и южная сочность: гид по армянским винам

Как выбирать армянские вина

СНОБ
Универсальный вариант Универсальный вариант

Однокомнатная квартира с универсальной планировкой

Идеи Вашего Дома
Экс-директор по маркетингу Nike Грег Хоффман о культуре принятия риска Экс-директор по маркетингу Nike Грег Хоффман о культуре принятия риска

Грег Хоффман делится своими методами выстраивания мощного бренда

СНОБ
Раннее введение аллергенов в прикорм снизило риск развития аллергии Раннее введение аллергенов в прикорм снизило риск развития аллергии

Можно ли профилактировать развитие аллергии у детей?

N+1
Математики нашли многоугольник для апериодического паркета Математики нашли многоугольник для апериодического паркета

Найден невыпуклый многоугольник, замощающий плоскость только апериодически

N+1
Ученые создали пластик, не требующий нефти для производства и полностью подверженный переработке Ученые создали пластик, не требующий нефти для производства и полностью подверженный переработке

Новый тип пластика может заменить полистирол

ТехИнсайдер
Напиток покрепче: кто такой Пол Мескал — номинант на Напиток покрепче: кто такой Пол Мескал — номинант на

Рассказываем, почему имя Пола Мескала нужно запомнить

Правила жизни
Героиня Татлина Героиня Татлина

Как пульсирующая нить русского авангарда протянулась сквозь ХХ век

Правила жизни
Гравитационный гиперкар Гравитационный гиперкар

«70% успеха – сани, а 30% – все остальное»

ТехИнсайдер
ООН: человечество должно изменить свое отношение к использованию воды ООН: человечество должно изменить свое отношение к использованию воды

Генеральный секретарь ООН обратился к миру с призывом сохранить водные ресурсы

ТехИнсайдер
Линейная служба Линейная служба

Ижевские беспилотники Supercam не игрушки для миллениалов, а серьезные машины

ТехИнсайдер
Лайфхаки для мужской уборки: как спасти свое время и психическое здоровье Лайфхаки для мужской уборки: как спасти свое время и психическое здоровье

Занятой человек не всегда находит силы на уборку. Но без нее не обойтись…

Maxim
Как влюбить в себя другого: «методичка» от психолога Как влюбить в себя другого: «методичка» от психолога

Реально ли влюбить в себя человека без SMS, регистрации и приворотов?

Psychologies
Миф о беспробудном пьянстве: что и сколько на самом деле пили на Руси Миф о беспробудном пьянстве: что и сколько на самом деле пили на Руси

Откуда возник миф о вечно пьяных русских? Стоит ли в него верить?

VOICE
Вулканы, волны, вертолеты: чем заняться на Камчатке Вулканы, волны, вертолеты: чем заняться на Камчатке

Побывать на Камчатке хоть раз в жизни нужно каждому

РБК
Маховик эволюции Маховик эволюции

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

Наука и жизнь
Мальчик, который вырос: 15 фильмов с Дэниелом Рэдклиффом Мальчик, который вырос: 15 фильмов с Дэниелом Рэдклиффом

Лучшие фильмы с Дэниелом Рэдклиффом (кроме поттерианы!)

Правила жизни
Открыть в приложении