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

Энергия под контролем Энергия под контролем

Водородная и альтернативная энергетика а также её защита

Наука
Бессердечная эволюция: ученые объяснили, почему женщины носят каблуки Бессердечная эволюция: ученые объяснили, почему женщины носят каблуки

Вердикт медиков однозначен: высокие каблуки могут быть опасны для здоровья

VOICE
Пятнадцать лет на одно зернышко Пятнадцать лет на одно зернышко

Элитный картофель, конкурентоспособная свекла и зимостойкая пшеница

Наука
5 полезных продуктов, которые вызывают переедание: на них сложно похудеть 5 полезных продуктов, которые вызывают переедание: на них сложно похудеть

Некоторые здоровые продукты очень коварны — и лишь разжигают наш аппетит

VOICE
Секреты «Белого лебедя» Секреты «Белого лебедя»

В России возобновлено производство одного из мощнейших бомбардировщиков мира

Популярная механика
Мировые проблемы с водой? Вот что нужно знать о водных ресурсах Земли Мировые проблемы с водой? Вот что нужно знать о водных ресурсах Земли

Новое исследование предложило обзор запасов пресной воды на планете

ТехИнсайдер
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
Сколько стоит ОСАГО на электромобиль: всё, что нужно знать водителю Сколько стоит ОСАГО на электромобиль: всё, что нужно знать водителю

Застраховать электромобиль дороже или дешевле, чем бензиновый?

ТехИнсайдер
В диких условиях В диких условиях

Сколько стоит отдых в заповедниках России

Деньги
Время для размышлений и тревог: как научиться отключаться перед сном — 4 простых шага Время для размышлений и тревог: как научиться отключаться перед сном — 4 простых шага

Как заставить себя спать?

Psychologies
Цифровая лихорадка Цифровая лихорадка

Наиболее интересные выступления из конференции CG Event

Популярная механика
Мы так же любим любить Мы так же любим любить

Юлия Высоцкая – о том, что её бесит и почему завтраки должны быть запрещены

Новый очаг
Большой яхте — большой рефит Большой яхте — большой рефит

В начале года мир впервые увидел масштабный метаморфоз суперъяхты Al Mirqab

Y Magazine
Обеднение почв глобального масштаба Обеднение почв глобального масштаба

Потребление удобрений может сократиться во всем мире

Агроинвестор
Связанные одной нейросетью Связанные одной нейросетью

На что способна российская система мониторинга VIJU

Деньги
Эффекты психоделиков связали с сугубо человеческими функциями мозга Эффекты психоделиков связали с сугубо человеческими функциями мозга

Как психоделики влияют на человеческий мозг?

N+1
Трудоголики, боссы и паникеры: кто работает по выходным и придется ли это делать вам Трудоголики, боссы и паникеры: кто работает по выходным и придется ли это делать вам

Останутся ли в ближайшем будущем выходные у «белых воротничков»?

Forbes
Константы и переменные Константы и переменные

Какую физику использует BioShock Infinite

N+1
Кейт Бланшетт и Меган Рапино: кто вошел в список женщин года Time Кейт Бланшетт и Меган Рапино: кто вошел в список женщин года Time

Героини списка «Женщины года» по версии журнала Time очень разные

Forbes
Тунцовые фермы и тайский бокс: WSJ рассказала о жизни Джека Ма после отъезда из Китая Тунцовые фермы и тайский бокс: WSJ рассказала о жизни Джека Ма после отъезда из Китая

Как живет миллиардер Джек Ма после отъезда из Китая

Forbes
Как независимая киностудия стала триумфатором «Оскара»: 10 фильмов A24, с которыми стоит познакомиться Как независимая киностудия стала триумфатором «Оскара»: 10 фильмов A24, с которыми стоит познакомиться

Как киностудии А24 удается сочетать остроумный артхаус и кассовый успех

Правила жизни
Смотреть подано: 10 крутых фильмов 2019 года, которые стоит пересмотреть Смотреть подано: 10 крутых фильмов 2019 года, которые стоит пересмотреть

Подборка хороших фильмов 2019 года

ТехИнсайдер
Ходим парой Ходим парой

Почему женская дружба может быть одной из самых важных вещей на свете

Лиза
Как Land Cruiser, но вдвое дешевле: в России представили Tank 500 Как Land Cruiser, но вдвое дешевле: в России представили Tank 500

Большой рамный китайский внедорожник Tank 500 добрался до российского рынка

РБК
Не идут дела: 5 актрис, которых настигло «проклятие «Оскара» Не идут дела: 5 актрис, которых настигло «проклятие «Оскара»

Иногда несчастья парадоксальным образом постигают лауреатов премии «Оскар»

Правила жизни
5 захватывающих книг в духе «Одни из нас» 5 захватывающих книг в духе «Одни из нас»

Книги с пробирающей атмосферой постапокалипсиса

Maxim
«Очень талантливый прощелыга»: почему КиберДед попал под санкции США «Очень талантливый прощелыга»: почему КиберДед попал под санкции США

Какую реальную угрозу КиберДед представляет для США

Forbes
Скрытые послания: как видят первые свидания мужчины и женщины — мнение психологов Скрытые послания: как видят первые свидания мужчины и женщины — мнение психологов

Почему мужчины и женщины по-разному видят сценарий первого свидания?

Psychologies
Переломанный момент Переломанный момент

«Дитя тьмы»: беременность как боди-хоррор

Weekend
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
Открыть в приложении