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

Ирина Калабихина: «Демографический взрыв уже у нас за спиной» Ирина Калабихина: «Демографический взрыв уже у нас за спиной»

Экономист Ирина Калабихина — что с нами будет дальше и хватит ли всем места?

РБК
Актер Сергей Гилев о сериале «Актрисы», продолжении съемок «Этерны» и любви к книгам Лимонова Актер Сергей Гилев о сериале «Актрисы», продолжении съемок «Этерны» и любви к книгам Лимонова

Сергей Гилев — о дружбе с Анной Чиповской и любви к книгам Эдуарда Лимонова

СНОБ
Как Египет заработал на раскопки Как Египет заработал на раскопки

Гробница KV 62 остается единственным не разграбленным погребением в Долине Царей

Наука
Wildberries и партнеры: нужно ли ужесточать регулирование маркетплейсов Wildberries и партнеры: нужно ли ужесточать регулирование маркетплейсов

Стоит ли законодательно регулировать деятельность маркетплейсов?

Forbes
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
Позвольте Ремарку. Почему новая экранизация «На Западном фронте без перемен» войдет в историю, даже если не выиграет «Оскар» Позвольте Ремарку. Почему новая экранизация «На Западном фронте без перемен» войдет в историю, даже если не выиграет «Оскар»

«На Западном фронте без перемен» — самая страшная экранизация романа Ремарка

Правила жизни
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
Горячие заграничные актрисы, которые играли русских женщин в кино Горячие заграничные актрисы, которые играли русских женщин в кино

Трудно в Голливуде или Европе найти актрису с подлинно российской красотой

Maxim
Мифы и реалии анестезиологии Мифы и реалии анестезиологии

Анестезиология — terra incognita не только для пациентов, но и для многих врачей

Наука и жизнь
Это эволюционное приспособление позволило динозаврам стать королями древней Земли Это эволюционное приспособление позволило динозаврам стать королями древней Земли

Почему древние ящеры воцарились на Земле? Ответ может быть скрыт в их костях

ТехИнсайдер
20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели 20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели

Объекты и явления, при помощи которых твой секс будет еще великолепнее

Maxim
Пять лучших экспедиционных внедорожников американского рынка Пять лучших экспедиционных внедорожников американского рынка

Они не только довезут вас туда, куда нужно, но и вполне вероятно вернут обратно

4x4 Club
8 самых больших самолетов в мире: титаны небес 8 самых больших самолетов в мире: титаны небес

Что может быть выше пятиэтажного дома и при этом еще и летать?

ТехИнсайдер
Почему рыбным днём считается именно четверг? Почему рыбным днём считается именно четверг?

Почему из всех семи дней в недели рыбным днем выбрали именно четверг?

ТехИнсайдер
Четыре рассказа из шляпной коробки Четыре рассказа из шляпной коробки

«Рассказы из шляпной коробки»: сюжет каждого сложился внезапно

Правила жизни
Психолог — о возрастных стереотипах и «третьей молодости» Психолог — о возрастных стереотипах и «третьей молодости»

Как наслаждаться второй половиной жизни?

РБК
Работа с пограничным расстройством личности: техника ментализации Работа с пограничным расстройством личности: техника ментализации

Как распознать человека с пограничным расстройством личности?

Psychologies
Жертва кризиса доверия: почему закончилась полуторавековая история Credit Suisse Жертва кризиса доверия: почему закончилась полуторавековая история Credit Suisse

Что привело Credit Suisse к тупику, из которого он оказался не в состоянии выйти

Forbes
Ирония судьбы Ирония судьбы

Как чувство юмора определяет наше отношение с людьми и миром?

Лиза
«Наступает эпоха умного ESG» «Наступает эпоха умного ESG»

Почему важно придерживаться принципов устойчивого развития

Деньги
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
Впервые за десятилетия математики приблизились к разгадке таинственных Впервые за десятилетия математики приблизились к разгадке таинственных

Границы чисел Рамсея наконец были сужены

ТехИнсайдер
Войти в сад Войти в сад

Четыре года назад Антон Шуранов открыл крошечную студию цветов на «Аэропорте»

Seasons of life
Как влюбить в себя другого: «методичка» от психолога Как влюбить в себя другого: «методичка» от психолога

Реально ли влюбить в себя человека без SMS, регистрации и приворотов?

Psychologies
Вопрос на миллион: кого и о чем стоит спрашивать, чтобы достигать целей Вопрос на миллион: кого и о чем стоит спрашивать, чтобы достигать целей

Кому и как правильно задавать вопросы, чтобы достичь цели

Psychologies
7 страшно интересных фактов о фильмах «Мумия» 7 страшно интересных фактов о фильмах «Мумия»

Настала пора вспомнить ошеломительных «Мумий» с Бренданом Фрейзером

Maxim
На мажорной ноте: 5 книг для тех, кто интересуется музыкой На мажорной ноте: 5 книг для тех, кто интересуется музыкой

Книги, которые станут проводниками в мир музыки и ее талантливых исполнителей

ТехИнсайдер
Кто делает российские электробусы, водоробусы и беспилотники Кто делает российские электробусы, водоробусы и беспилотники

Как создаются инновационные продукты Группы ГАЗ

Эксперт
Предсказать туманное будущее: почему растет спрос на карты таро и кто их покупает Предсказать туманное будущее: почему растет спрос на карты таро и кто их покупает

Как устроен рынок таро и почему растет спрос на карты

Forbes
Как выбрать SSD для ноутбука: подробный гайд Как выбрать SSD для ноутбука: подробный гайд

При выборе твердотельного накопителя для ноутбука нужно учесть немало факторов

CHIP
Открыть в приложении