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

Секреты «Белого лебедя» Секреты «Белого лебедя»

В России возобновлено производство одного из мощнейших бомбардировщиков мира

Популярная механика
Лебёдка. Шесть правил использования Лебёдка. Шесть правил использования

Как правильно использовать лебёдку, не повредив здоровье и машину?

4x4 Club
Пятнадцать лет на одно зернышко Пятнадцать лет на одно зернышко

Элитный картофель, конкурентоспособная свекла и зимостойкая пшеница

Наука
«Я ношу только то, что делает меня лучше» «Я ношу только то, что делает меня лучше»

Самая итальянская русская актриса Юлия Высоцкая стала амбассадором Geox в России

OK!
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
Что возраст говорит о нас и что говорим о нем мы Что возраст говорит о нас и что говорим о нем мы

Какую роль играет культура и общество в восприятии возраста?

РБК
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
На переломе эпох. Lexus LX600 против Rivian R1S На переломе эпох. Lexus LX600 против Rivian R1S

Что лучше: Lexus LX600 или Rivian R1S?

4x4 Club
Гнать волну Гнать волну

Серфинг — самый романтичный и один из самых сложных видов экстремального спорта

ТехИнсайдер
«Пес со мной» «Пес со мной»

Как понять собаку и сделать ее счастливой

N+1
Криптобудущее Криптобудущее

Жизненный цикл цивилизаций и наступающая эпоха свободы

Популярная механика
Найдена аномальная звезда, рожденная в адски горячем облаке материи рядом с черной дырой Найдена аномальная звезда, рожденная в адски горячем облаке материи рядом с черной дырой

Звезда, которая не умирает, а рождается прямо возле чудовищной пасти Стрельца A*

ТехИнсайдер
Во глубину сибирских руд Во глубину сибирских руд

По следам декабристов на каторгу в Сибирь

Вокруг света
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
УАЗ «Профи». Полноприводная полуторка УАЗ «Профи». Полноприводная полуторка

Тестируем УАЗ «Профи»

4x4 Club
Ей 60, и у нее 171 пара обуви: почему все обожают стиль баскетбольного тренера Ким Малки Ей 60, и у нее 171 пара обуви: почему все обожают стиль баскетбольного тренера Ким Малки

"Врезается в память" и "Ким Малки" — почти синонимы

VOICE
Как избавиться от запаха в холодильнике раз и навсегда: натуральные освежители найдутся в каждом доме Как избавиться от запаха в холодильнике раз и навсегда: натуральные освежители найдутся в каждом доме

Как сохранить продукты в холодильнике в свежести и чистоте?

ТехИнсайдер
Как появилась первая в истории статуя голой женщины Как появилась первая в истории статуя голой женщины

Тема «ню» присутствовала в скульптуре далеко не всегда

Maxim
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

ТехИнсайдер
Деньги назад Деньги назад

Кто, как и сколько может сэкономить на налоговых вычетах

Деньги
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
Невозвращенец Невозвращенец

Один из первых политических эмигрантов Петровской эпохи — Авраам Веселовский

Дилетант
«У таких водителей проблемы»: что грозит за неостановку по просьбе ГИБДД «У таких водителей проблемы»: что грозит за неостановку по просьбе ГИБДД

Что грозит автомобилистам, не заметившим требование инспектора об остановке

РБК
Когда летние шины выгоднее всего покупать: секрет хитрых водителей Когда летние шины выгоднее всего покупать: секрет хитрых водителей

Хитрые водители разделяют покупку и установку шин

ТехИнсайдер
Танец цвета Танец цвета

Отправной точкой для оформления этой квартиры послужила картина «Танец»

Идеи Вашего Дома
Быстрее, тише, сильнее Быстрее, тише, сильнее

Sunreef Yachts: большие возможности катамаранов можно сделать еще больше

Y Magazine
История одной вещи: как за «Тетрис» боролись англичане, американцы и японцы История одной вещи: как за «Тетрис» боролись англичане, американцы и японцы

«Я изобрел тетрис для собственного удовольствия». История культовой головоломки

Правила жизни
Двигаться вперед Двигаться вперед

Suzuki Vitara в городе пушек, пряников и самоваров

Автопилот
Созависимые отношения: 5 главных мифов — узнайте правду Созависимые отношения: 5 главных мифов — узнайте правду

Психотерапевт разбирает мифы, связанные с созависимыми отношениями

Psychologies
Погребенные в 1410 километрах друг от друга афанасьевцы оказались родственниками Погребенные в 1410 километрах друг от друга афанасьевцы оказались родственниками

Новый инструмент анализа древних геномов поможет больше узнать о наших предках

N+1
Открыть в приложении