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

«Al кардинально изменит роль химика-исследователя» «Al кардинально изменит роль химика-исследователя»

Почему без искусственного интеллекта не достичь заметных результатов в науке

Наука
Если время не терпит Если время не терпит

10 способов быстро принять решение

Лиза
Тимофеев-Ресовский, зоология и век информации Тимофеев-Ресовский, зоология и век информации

Об отношениях Тимофеева-Ресовского с зоологией

Знание – сила
Балаяж: 9 вариантов окрашивания волос и советы экспертов по уходу Балаяж: 9 вариантов окрашивания волос и советы экспертов по уходу

Одна из самых популярных техник осветления

РБК
Жизнь без гаджетов Жизнь без гаджетов

Как прекратить сидеть в телефоне: 9 шагов к цифровой свободе

Лиза
Черепаха мата-мата, нанохамелеон, шоколадная лягушка из Гарри Поттера и еще 7 новых видов, обнаруженных недавно Черепаха мата-мата, нанохамелеон, шоколадная лягушка из Гарри Поттера и еще 7 новых видов, обнаруженных недавно

Новые удивительные виды животных, которых вы не могли даже представить

ТехИнсайдер
На льду Байкала установили рекорд скорости На льду Байкала установили рекорд скорости

Какую скорость может развить электрокроссовер VOYAH FREE

Maxim
Брови на зависть Брови на зависть

От аккуратного и ухоженного вида бровей зависит общее впечатление от образа

Лиза
Учить всему всех всеми Учить всему всех всеми

Нарастающее усложнение современного мира — это системный вызов образованию

Наука
Целительный лайк. Как приложения для знакомств помогают пережить расставания Целительный лайк. Как приложения для знакомств помогают пережить расставания

Зачем регистрироваться в приложениях для дейтинга сразу после расставания?

СНОБ
«Навеселе» «Навеселе»

Как люди хотели устроить пьянку, но построили цивилизацию

N+1
Ошибки мышления, которые портят жизнь Ошибки мышления, которые портят жизнь

Как бороться с внутренними установками, которые мешают быть успешным

Maxim
5 книг об удивительных путешествиях: истории от первого лица, которые захватывают дух 5 книг об удивительных путешествиях: истории от первого лица, которые захватывают дух

Книги, написанные самыми смелыми путешественниками

ТехИнсайдер
Невидимая Дженис: история женщины, которая коллекционирует чужие судьбы и меняет свою Невидимая Дженис: история женщины, которая коллекционирует чужие судьбы и меняет свою

Отрывок из дебютного романа Салли Пейдж «Хранительница историй»

Forbes
«Какая мерзость»: как издательство No Kidding Press выпускает в России фем-литературу «Какая мерзость»: как издательство No Kidding Press выпускает в России фем-литературу

Как живет издательство, которое переводит и издает книги, написанные женщинами

Forbes
11 мифов о здоровье 11 мифов о здоровье

Пора уже перестать верить в заблуждения о здоровье

Лиза
Мария Киселева. Блиц-интервью Мария Киселева. Блиц-интервью

Блиц-интервью со звездой шоу «На выход!» Марией Киселевой

Лиза
Короли небес Короли небес

Завершается полувековая история производства Boeing 747

ТехИнсайдер
По рыбным местам По рыбным местам

Куда лучше отправиться в этом году на рыбалку

Деньги
Физика в НИИ Черногорье Физика в НИИ Черногорье

Большой и подробный разбор досок из Black Mesa — ремейка оригинального Half-Life

N+1
Семь советов для восстановления кожи после зимы Семь советов для восстановления кожи после зимы

Как же восстановить кожу и подготовить её к первым весенним лучам?

Здоровье
Секс не ради секса: почему мы соглашаемся? Секс не ради секса: почему мы соглашаемся?

В постели с мужчинами мы иногда оказываемся не только из-за чистой страсти

VOICE
Трижды королева: как Хелен Миррен работала над ролями британских монархов. Фрагмент свежей биографии актрисы Трижды королева: как Хелен Миррен работала над ролями британских монархов. Фрагмент свежей биографии актрисы

Как Хелен Миррен работала над ролями королев

Правила жизни
Как почистить стиральную машину: эти средства быстро удалят накипь и запах в барабане Как почистить стиральную машину: эти средства быстро удалят накипь и запах в барабане

Как без затруднений почистить стиральную машину в домашних условиях

ТехИнсайдер
Любит — не любит? Как знаки зодиака выражают свои чувства Любит — не любит? Как знаки зодиака выражают свои чувства

Как понять, влюблен в тебя твой Овен или нет.?

VOICE
По следам героев фильма «Чебурашка» По следам героев фильма «Чебурашка»

Маршрут по локациям съемок «Чебурашки»: все их можно посетить за одну поездку!

Лиза
Декларация независимости. История появления скоростных внедорожников Декларация независимости. История появления скоростных внедорожников

Как появились скоростные внедорожники

4x4 Club
4 вида комплиментов, которые нельзя говорить женщинам 4 вида комплиментов, которые нельзя говорить женщинам

Случаи, когда лучше молчать, чем говорить

Maxim
Вакуумный корабль Вакуумный корабль

Отличным грузовым транспортом могут стать дирижабли, наполненные вакуумом

ТехИнсайдер
Одержимый любовью: что зашифровал Тициан в своей картине «Любовь земная и небесная» Одержимый любовью: что зашифровал Тициан в своей картине «Любовь земная и небесная»

Отрывок из книги «Любовь и страсть в искусстве Возрождения. Ренессанс в Италии»

Forbes
Открыть в приложении