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

Как ускорить борьбу с табакокурением Как ускорить борьбу с табакокурением

Почему нужно различать потребление никотина и затяжку сигаретой

Наука
Что такое искусственная кома и чем она отличается от обычной Что такое искусственная кома и чем она отличается от обычной

Зачем человека специально вводят в кому?

ТехИнсайдер
Чем занимались биологи в 2023 году Чем занимались биологи в 2023 году

Что делали биологи в сфере генетики, нейробиологии и эволюционной генетики

Наука и жизнь
Создана полная карта мозга дрозофилы. Он очень похож на искусственную нейросеть Создана полная карта мозга дрозофилы. Он очень похож на искусственную нейросеть

Создана самая сложная на сегодня карта мозга насекомого

ТехИнсайдер
Читай Читай

5 книг о смелых женщинах и сложных эпохах

VOICE
Стал отцом в 82 года и живет с моделью Playboy: как дизайнер Роберто Кавалли проводит время на пенсии Стал отцом в 82 года и живет с моделью Playboy: как дизайнер Роберто Кавалли проводит время на пенсии

Итальянский модельер Роберто Кавалли явно не похож на обычного пенсионера

VOICE
7 фактов о святом Патрике, в которые невозможно поверить 7 фактов о святом Патрике, в которые невозможно поверить

Прекрасные легенды, связанные с днем святого Патрика

Maxim
Как запрограммировать психику на похудение: 8 советов от врача Как запрограммировать психику на похудение: 8 советов от врача

8 простых подсказок, которые помогут тебе терять килограммы быстрее

VOICE
Криминальный тур для искателей приключений: 6 захватывающих детективов из разных стран Криминальный тур для искателей приключений: 6 захватывающих детективов из разных стран

О таком туристические агентства не рассказывают в рекламных буклетах!

Maxim
Как сохранить страсть после рождения ребенка: 3 простых шага — укрепите брак Как сохранить страсть после рождения ребенка: 3 простых шага — укрепите брак

Как сохранить близость после появления ребенка, несмотря на все сложности?

Psychologies
Бывает ли «поздно» терять девственность и есть ли идеальный возраст для этого? Бывает ли «поздно» терять девственность и есть ли идеальный возраст для этого?

Есть ли идеальный возраст для потери девственности?

ТехИнсайдер
Добавки с коллагеном — афера или способ сохранить молодость? Мнение доктора медицины Добавки с коллагеном — афера или способ сохранить молодость? Мнение доктора медицины

Коллаген может показаться настоящей панацеей. Но заслужено ли это звание?

VOICE
«Великий квест» «Великий квест»

Глава из книги «Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле»

N+1
Траты на буррату: как итальянский сыр из Новомосковска появился в федеральных сетях Траты на буррату: как итальянский сыр из Новомосковска появился в федеральных сетях

Как предприниматели из Тульской области запустили производство итальянских сыров

Forbes
Проклятье родителей: 8 главных ошибок в выборе профессии для подростка Проклятье родителей: 8 главных ошибок в выборе профессии для подростка

Почему родители не могут помочь детям сделать правильный карьерный выбор?

Psychologies
Новая атака сибирской язвы: чем так опасна эта болезнь? Новая атака сибирской язвы: чем так опасна эта болезнь?

Как происходит заражение, чем лечиться и как оградить себя от сибирской язвы

ТехИнсайдер
Интервью Интервью

Али Онгер и Алексей Горский: почему сейчас самое время покупать яхту в Турции

Y Magazine
Как достигать целей в период неопределенности: 7 правил Как достигать целей в период неопределенности: 7 правил

Стоит ли вообще ставить цели в реальности, где все постоянно меняется?

Psychologies
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
Энциклопедии и атласы обо всем на свете: 5 детских книг, от которых будет трудно оторваться Энциклопедии и атласы обо всем на свете: 5 детских книг, от которых будет трудно оторваться

Познавательные книги обо всем на свете, которые понравятся и детям и взрослым

ТехИнсайдер
Как противостоять манипуляциям в отношениях: 7 шагов Как противостоять манипуляциям в отношениях: 7 шагов

Как понять, что ваш партнер — манипулятор?

Psychologies
4 мифа о сексуальной жизни — проверьте себя 4 мифа о сексуальной жизни — проверьте себя

Наша сексуальная жизнь полна мифов

Psychologies
«Зачем ты позволила ему?»: почему матери предпочитают не замечать насилие мужей над детьми «Зачем ты позволила ему?»: почему матери предпочитают не замечать насилие мужей над детьми

Почему матери не верят детям, когда те говорят им о насилии?

Psychologies
Самые уродливые внедорожники всех времён и народов Самые уродливые внедорожники всех времён и народов

Внедорожники, которые своим внешним видом могут превратить вашу жизнь в хоррор

4x4 Club
Что такое мезороллер и безопасен ли он в домашнем уходе Что такое мезороллер и безопасен ли он в домашнем уходе

Как пользоваться мезороллером и есть ли смысл пробовать самому?

РБК
Темнокожая Русалочка и феминизм: почему Disney переделывает старые сказки для зумеров Темнокожая Русалочка и феминизм: почему Disney переделывает старые сказки для зумеров

Шок-контент или поклонение перед зумерами: как Disney меняет свои сказки

Forbes
Возможно, первые аминокислоты возникли задолго до формирования Земли Возможно, первые аминокислоты возникли задолго до формирования Земли

Жизнь могла зародиться вместе с Млечным путем. А возможно, и раньше

ТехИнсайдер
Взрослые — это теперь мы. Как не бояться и получать удовольствие Взрослые — это теперь мы. Как не бояться и получать удовольствие

Как меняется жизнь в тот момент, когда понимаешь, что взрослый — это ты сам?

РБК
Princess S62: встреча на подиуме Princess S62: встреча на подиуме

Princess S62 вызвала наибольший интерес у посетителей на выставке

Y Magazine
Праздновать жизнь: как искусство и кино иллюстрируют идущие годы Праздновать жизнь: как искусство и кино иллюстрируют идущие годы

Журналист Дмитрий Быков размышляет на тему возраста

РБК
Открыть в приложении