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
Премию Абеля присудили за работы по дифференциальным уравнениям в частных производных Премию Абеля присудили за работы по дифференциальным уравнениям в частных производных

Премия Абеля: вклад в теорию регулярности нелинейных дифференциальных уравнений

N+1
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
Независимость или самопожертвование: о гранях женской любви рассказали актрисы сериала «Содержанки» Независимость или самопожертвование: о гранях женской любви рассказали актрисы сериала «Содержанки»

Нужна ли нам привязанность, если она заставляет страдать? Отвечают «Содержанки»

Psychologies
Одомашнивание: новый цикл Одомашнивание: новый цикл

До конца нынешнего десятилетия произойдет очередная революция

Популярная механика
Изгнание веса: как мы худеем весной (отчаянно и безрассудно!) Изгнание веса: как мы худеем весной (отчаянно и безрассудно!)

Весной мы все встаем на путь Великого Весеннего похудения

VOICE
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
5 вопросов, которые помогут узнать истинный возраст мозга — протестируй свой! 5 вопросов, которые помогут узнать истинный возраст мозга — протестируй свой!

Можно ли определить возраст мозга?

VOICE
Маломощные реакторы спасут мирный атом Маломощные реакторы спасут мирный атом

Репутация – главная проблема атомной энергетики в XXI веке

Популярная механика
Лучшая научно обоснованная диета для похудения Лучшая научно обоснованная диета для похудения

Как похудеть с умом?

ТехИнсайдер
На пороге сверхспособностей На пороге сверхспособностей

Может ли человек развить в себе сверхспособности?

Знание – сила
Турандот нашего времени Турандот нашего времени

Спектакль «Турандот» в постановке Андрея Прикотенко

СНОБ
Что нужно знать, чтобы посмотреть «Джон Уик — 4»: вспоминаем первые три серии Что нужно знать, чтобы посмотреть «Джон Уик — 4»: вспоминаем первые три серии

Сюжет, персонажи и любопытные факты о всех фильмах «Джон Уик»

Maxim
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
Какую воду лучше пить: с газом или без? Какую воду лучше пить: с газом или без?

Что произойдёт с организмом, если обычную воду полностью заменить газированной?

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
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
Ангорский кролик: даст фору любым котикам Ангорский кролик: даст фору любым котикам

Немного об ангорских кроликах, которые "утрут нос" вашим любимым интернет-героям

ТехИнсайдер
Гитлер. Поход во власть Гитлер. Поход во власть

Человек, создавший Третий рейх, был, несомненно, злым гением

Дилетант
Режиссер Масааки Юаса: Я хотел бы сделать анимацию, которую наш глаз не отличит от фотореалистичного изображения Режиссер Масааки Юаса: Я хотел бы сделать анимацию, которую наш глаз не отличит от фотореалистичного изображения

Интервью с аниматором Масааки Юасой о его фильме «Ину-о: Рождение легенды»

СНОБ
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
Чувствуете себя уставшим? Эти 4 продукта забирают вашу энергию! Чувствуете себя уставшим? Эти 4 продукта забирают вашу энергию!

Обратите внимание на эти 4 продукта — они могут быть виновниками вашей усталости

ТехИнсайдер
Почему в мировых музеях мало работ женщин и как кураторы пытаются это изменить Почему в мировых музеях мало работ женщин и как кураторы пытаются это изменить

Как художественные институции пересматривают канон в пользу гендерного баланса

Forbes
Квартира 22 Квартира 22

История о современной мусульманской женщине — той, что носит дизайнерскую одежду

Seasons of life
Никакого сходства с реальностью: почему в Средневековье рисовали таких нелепых львов Никакого сходства с реальностью: почему в Средневековье рисовали таких нелепых львов

Искусство средневековых художников не отличалось реалистичностью изображения

ТехИнсайдер
Не до шуток: можно ли на самом деле умереть от смеха? Не до шуток: можно ли на самом деле умереть от смеха?

Что будет, если смеяться слишком долго?

ТехИнсайдер
Не теряй голову: 12 вещей, которые выдадут плохого мастера по наращиванию волос Не теряй голову: 12 вещей, которые выдадут плохого мастера по наращиванию волос

Как найти хорошего мастера по наращиванию волос

VOICE
Пять знаменитых женщин, которые любили выпить Пять знаменитых женщин, которые любили выпить

И среди великих женщин встречались яркие личности, неравнодушные к алкоголю

Maxim
Любовь пространства Любовь пространства

Янина Болдырева: медиум как метафора

Weekend
Анна и черная воронка Анна и черная воронка

Иногда лучший выход из тяжелой ситуации — дать ей поглотить себя

СНОБ
Открыть в приложении