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

Одомашнивание: новый цикл Одомашнивание: новый цикл

До конца нынешнего десятилетия произойдет очередная революция

Популярная механика
Мучной рост с низкой базы Мучной рост с низкой базы

Потенциал экспорта муки из России оценивается в 3 млн т

Агроинвестор
Главный экспонат Главный экспонат

Автомобили, на которых люди станут ездить (и даже летать) в ближайшее время

ТехИнсайдер
Химия любви Химия любви

Как связаны любовь, секс и здоровье

Новый очаг
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
7 удобных клавиатур для Android: для аскетов и любителей эмодзи 7 удобных клавиатур для Android: для аскетов и любителей эмодзи

Мы собрали лучшие клавиатуры из того, что можно найти в Google Play Store

CHIP
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
Таяние Гренландии приближается к точке невозврата Таяние Гренландии приближается к точке невозврата

Таяние Гренландского ледового щита, скорее всего, остановить уже не удастся

ТехИнсайдер
Рынок жилья охлаждается, но неохотно Рынок жилья охлаждается, но неохотно

Квартирный рынок входит в этап развития, связанный с отменой льготной ипотеки

Монокль
Где лежит настоящее Где лежит настоящее

Светлана Адоньева о том, где живут традиции и почему не нужно их возрождать

Seasons of life
Неандертальский зоопарк Неандертальский зоопарк

15 лет назад ученые организовали палеогенетическую лабораторию

Наука
Пять причин, почему искусственный интеллект не сможет заменить программистов Пять причин, почему искусственный интеллект не сможет заменить программистов

Почему работать с профессионалами выгоднее, чем с искусственным интеллектом

Forbes
Ребенок блогера-сыроеда Максима Лютого умер от истощения. Почему люди «экспериментируют» на детях? Ребенок блогера-сыроеда Максима Лютого умер от истощения. Почему люди «экспериментируют» на детях?

Почему родители навязывают детям свой взгляд на питание?

Psychologies
«Сделай сам»: как НКО оценивать проекты своими силами | “Do it yourself:” How NGOs Evaluate Projects Using Their Own Resources «Сделай сам»: как НКО оценивать проекты своими силами | “Do it yourself:” How NGOs Evaluate Projects Using Their Own Resources

Многие считают, что самооценивание — одна из ключевых тенденций развития оценки

Позитивные изменения
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
Секонд-хенд с Патриков: как сервис ресейла люксовых сумок вырос в полтора раза за год Секонд-хенд с Патриков: как сервис ресейла люксовых сумок вырос в полтора раза за год

Как устроен ресейл люксовых сумок в России?

Forbes
Зов далеких островов Зов далеких островов

Дальний Восток России — регион с обилием уникальных природных ландшафтов

Y Magazine
За стеклом За стеклом

7 секретов макияжа для тех, кто носит очки

Лиза
Текстовое сообщество Текстовое сообщество

Тима Радя: поэзия на улице

Weekend
Овцеводство поддержат по-новому Овцеводство поддержат по-новому

Новая программа овцеводства должна учесть специфику развития отрасли

Агроинвестор
Неперерабатываемая пластика Неперерабатываемая пластика

Алексей Каллима: искусство мимикрии

Weekend
33 несчастья. О шедевре «400 ударов» 33 несчастья. О шедевре «400 ударов»

Как фильм «400 ударов» изменил историю мирового кинематографа

СНОБ
30 лет спустя Mercedes-Benz вспоминает свой первый G-класс с двигателем V8 30 лет спустя Mercedes-Benz вспоминает свой первый G-класс с двигателем V8

Именно он заложил основу последующего триумфа знакового внедорожника

4x4 Club
Квартира-ловушка Квартира-ловушка

5 признаков риелторов-мошенников: как вовремя распознать обман при покупке жилья

Лиза
Михаил Фоменко: австралийский тарзан из СССР, который 60 лет прожил в диких джунглях Михаил Фоменко: австралийский тарзан из СССР, который 60 лет прожил в диких джунглях

Михаил Фоменко — один из символов Австралии

ТехИнсайдер
Не суперъяхтами едиными Не суперъяхтами едиными

Долой вредные стереотипы! Они мешают жить

Y Magazine
7 привычек, которые сохранят здоровье глаз 7 привычек, которые сохранят здоровье глаз

Повседневные привычки влияют на наши глаза гораздо сильнее, чем вы думаете

Новый очаг
Метод «Джакарта»: как антикоммунистическая политика США изменила «третий мир» Метод «Джакарта»: как антикоммунистическая политика США изменила «третий мир»

Как США поменяли вектор политического развития сразу на нескольких континентах

Forbes
Мария Киселева. Блиц-интервью Мария Киселева. Блиц-интервью

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

Лиза
​​Как чех из Volkswagen стал калужским сидроделом ​​Как чех из Volkswagen стал калужским сидроделом

Как Ян Йираско запустил производство традиционного яблочного сидра в России

Forbes
Открыть в приложении