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

«Поддержка фундаментальной науки не мешает развитию прикладной» «Поддержка фундаментальной науки не мешает развитию прикладной»

Академик Александр Латышев — нужны ли вообще академические институты

Наука
Сексуализированное насилие: как защитить ребенка — советы психолога Сексуализированное насилие: как защитить ребенка — советы психолога

Сексуализированное насилие в отношении детей может проявляться по-разному

Psychologies
Наука в фантастике: эпизоды истории Наука в фантастике: эпизоды истории

После Второй мировой фантастика приобрела авторов, кардинально обновивших жанр

Наука и жизнь
«Что увидела Кассандра»: истории женщин, балансирующих на грани нервного срыва «Что увидела Кассандра»: истории женщин, балансирующих на грани нервного срыва

Несколько обычных историй, которые случаются постоянно

Forbes
Наша история Наша история

Рубрика «Моя история» заменяется на «Нашу историю» — будем писать её вместе

Дилетант
«Тебе пора лечиться!»: 16 фраз домашних насильников — проверьте ваши отношения «Тебе пора лечиться!»: 16 фраз домашних насильников — проверьте ваши отношения

Рассказываем, как распознать домашнего насильника и что делать дальше

Psychologies
В молекуле от зомби-апопокалипсиса: как белок может сломать человеческий мозг В молекуле от зомби-апопокалипсиса: как белок может сломать человеческий мозг

Отрывок из книги «В молекуле от безумия»

Forbes
Кручу-верчу, обмануть хочу: во что играет абьюзер Кручу-верчу, обмануть хочу: во что играет абьюзер

Признаки, отличающие абьюз от здорового, пусть и конфликтного общения

VOICE
«В душе я обыватель» «В душе я обыватель»

Петр Тодоровский о своем фильме «Здоровый человек»

Weekend
5 решений, которые делают цветочный бизнес экологичнее 5 решений, которые делают цветочный бизнес экологичнее

Простые экологичные решения в сфере флористики

СНОБ
Как дожить до 100: 6 простых секретов долголетия японцев Как дожить до 100: 6 простых секретов долголетия японцев

В чем именно заключается секрет долголетия жителей страны восходящего солнца.

VOICE
От черной комедии до религиозного хоррора: что смотреть с Дженнифер Лоуренс От черной комедии до религиозного хоррора: что смотреть с Дженнифер Лоуренс

Собрали для вас несколько фильмов с Лоуренс, помимо «Голодных игр» и «Людей X»

Правила жизни
Как соблазнять голосом: 3 упражнения Как соблазнять голосом: 3 упражнения

Голос — неотъемлемая часть сексуального образа

Psychologies
Балет за границу Балет за границу

Сергей Дягилев стал гениальным продюсером задолго до появления слова «продюсер»

Правила жизни
Как появляется нелюбовь к телу: 3 неочевидные причины — объяснение фитнес-тренера Как появляется нелюбовь к телу: 3 неочевидные причины — объяснение фитнес-тренера

Фитнес-тренер рассуждает о том, откуда берется нелюбовь к собственному телу

Psychologies
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
Автомобиль по подписке. В чем смысл и выгода Автомобиль по подписке. В чем смысл и выгода

Разбираемся, что такое подписка на автомобиль и почему это выгодно

РБК
10 женщин, возглавляющих IT-подразделения в крупнейших международных компаниях 10 женщин, возглавляющих IT-подразделения в крупнейших международных компаниях

Список самых перспективных директоров по информационным технологиям

Forbes
Какой у тебя SQ? Какой у тебя SQ?

Сексуальный интеллект: что это такое, зачем его прокачивать?

Лиза
Почему вот здесь «стреляет» Почему вот здесь «стреляет»

Легко ли распознать защемление седалищного нерва и что с этим делать

Лиза
Тарантино на бумаге: что режиссер писал о себе сам и что о нем говорят коллеги Тарантино на бумаге: что режиссер писал о себе сам и что о нем говорят коллеги

Что писали о Тарантино в книгах, что режиссер писал сам

Правила жизни
Когнитивный невролог Сара Мэннинг Пескин: «Истории о том, как ломается мозг» Когнитивный невролог Сара Мэннинг Пескин: «Истории о том, как ломается мозг»

Сара Мэннинг Пескин рассказывает об уязвимости человеческого мозга

СНОБ
Режиссер и продюсер Бауддхаян Мукхерджи: Мы в неоплатном долгу перед русскими мастерами Режиссер и продюсер Бауддхаян Мукхерджи: Мы в неоплатном долгу перед русскими мастерами

Бауддхаян Мукхерджи — о том, что общего между российским и индийским кино

СНОБ
Гештальт-терапевт Екатерина Артеменко: Любовь — это вечное путешествие за золотым руном Гештальт-терапевт Екатерина Артеменко: Любовь — это вечное путешествие за золотым руном

Как трансформируется любовь в современном мире?

СНОБ
Переложение для восьми волосов Переложение для восьми волосов

Генетики хотели разобраться со здоровьем Бетховена, но уперлись в генеалогию

N+1
Час расплаты: истории трех девушек, которые попали в кредитную кабалу Час расплаты: истории трех девушек, которые попали в кредитную кабалу

Взяла один кредит, потом другой, а дальше долги стали множиться

VOICE
Сколько на самом деле стоит автомобиль? Сколько на самом деле стоит автомобиль?

Жизнь автомобиля начинается задолго до момента, когда мы впервые садимся за руль

4x4 Club
Пища для души Пища для души

Великий пост – это своеобразная «диета» души и тела

Лиза
«Сделать себя»: какова цена профессионального успеха «Сделать себя»: какова цена профессионального успеха

Чего вам будет стоить добиться успеха и «сделать себя»?

Psychologies
«Пластикоз»: ученые дали имя синдрому, из-за которого желудки птиц буквально разрывает изнутри острыми фрагментами пластика «Пластикоз»: ученые дали имя синдрому, из-за которого желудки птиц буквально разрывает изнутри острыми фрагментами пластика

Птицы и рыбы во всем мире тихо страдают от новой болезни

ТехИнсайдер
Открыть в приложении