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

Геотермальная энергетика — от горячих источников до глубинных горячих пород Геотермальная энергетика — от горячих источников до глубинных горячих пород

Заставить работать глубинное тепло Земли непросто и дорого, но затраты окупаются

Наука
3 вида мужских манипуляций: женские истории комментируют мужчины и психолог 3 вида мужских манипуляций: женские истории комментируют мужчины и психолог

Зачем мужчины манипулируют в отношениях и как можно противостоять их приемам

Psychologies
Выживут только инфорги Выживут только инфорги

«Инфорги» — люди, которые придут на смену Homo Sapiens

Популярная механика
Москву окольцевали Москву окольцевали

В Москве запущена Большая кольцевая линия метро — длиннейшее метрокольцо в мире

Эксперт
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
Как компакт-диски стали самой наглой аферой шоу-бизнеса Как компакт-диски стали самой наглой аферой шоу-бизнеса

Факты, которые мы вспомнили на 40-летний юбилей первого CD

Maxim
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
Светлые, добрые, легкие: 13 книг, которые помогут обрести веру в людей Светлые, добрые, легкие: 13 книг, которые помогут обрести веру в людей

Делимся необычной подборкой светлых книг для восстановления человечности

Psychologies
Подводные лодки с воздухонезависимыми силовыми установками в российском и советском флоте Подводные лодки с воздухонезависимыми силовыми установками в российском и советском флоте

Подводные лодки с двигателями внутреннего сгорания замкнутого цикла

Наука и техника
5 невероятных технологий будущего, которыми мы пользуемся каждый день 5 невероятных технологий будущего, которыми мы пользуемся каждый день

Еще несколько лет назад о таких технологиях только мечтали писатели-фантасты

Maxim
Где рождается свет Где рождается свет

Что такое Солнце? Газовый шар плотнее воды, мощнейший термоядерный реактор

Вокруг света
Плюсы и минусы самостоятельного ремонта ваших гаджетов Плюсы и минусы самостоятельного ремонта ваших гаджетов

Следует ли вам починить свой треснувший экран самостоятельно?

ТехИнсайдер
4 вида комплиментов, которые нельзя говорить женщинам 4 вида комплиментов, которые нельзя говорить женщинам

Случаи, когда лучше молчать, чем говорить

Maxim
«Великий квест» «Великий квест»

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

N+1
«Макияж — право, а не обязанность»: что произойдет, если перестать краситься, — личный опыт «Макияж — право, а не обязанность»: что произойдет, если перестать краситься, — личный опыт

Почему можно отказаться от косметики и к чему это может привести?

Psychologies
Под колпаком: как травмирует материнская любовь Под колпаком: как травмирует материнская любовь

Отрывок из книги «Переживание чувств» Сьюзан Кейн

Psychologies
Миф о беспробудном пьянстве: что и сколько на самом деле пили на Руси Миф о беспробудном пьянстве: что и сколько на самом деле пили на Руси

Откуда возник миф о вечно пьяных русских? Стоит ли в него верить?

VOICE
Гены охотников-собирателей улучшили иммунитет неолитических земледельцев Гены охотников-собирателей улучшили иммунитет неолитических земледельцев

Аллели охотников-собирателей были приспособлены к борьбе с местными патогенам

N+1
Почему мы стареем и способна ли наука взломать этот процесс Почему мы стареем и способна ли наука взломать этот процесс

Может ли предельный средний возраст человека превышать 120 лет?

РБК
5 эффективных способов, которые помогут избавиться от второго подбородка 5 эффективных способов, которые помогут избавиться от второго подбородка

Эффективные и безопасные способы убрать второй подбородок

ТехИнсайдер
Кирилл Гребенщиков: «За пять минут до начала иногда думаю: «Вот бы все отменили и не пришлось выходить на сцену!» Но потом это отступает...» Кирилл Гребенщиков: «За пять минут до начала иногда думаю: «Вот бы все отменили и не пришлось выходить на сцену!» Но потом это отступает...»

Популярность — это результат, а для меня всегда важен процесс

Караван историй
10 причин сходить в кино на «Джона Уика 4», даже если вы не фанат экшен-боевиков (и Киану Ривза) 10 причин сходить в кино на «Джона Уика 4», даже если вы не фанат экшен-боевиков (и Киану Ривза)

4 часть «Джона Уика» опровергает законы не только физики, но и франшиз Голливуда

Правила жизни
19 элементарных лайфхаков, которые сэкономят тебе часы на кухне 19 элементарных лайфхаков, которые сэкономят тебе часы на кухне

Советы о самом насущном — картошке, чесноке и пельмешках из морозилки!

Maxim
Отпуск в Китае? Вот куда нужно съездить. Строим планы на лето! Отпуск в Китае? Вот куда нужно съездить. Строим планы на лето!

Вот что стоит посмотреть в Китае во время вашего отпуска

ТехИнсайдер
Витамин D: новая панацея? Витамин D: новая панацея?

Как витамин D стал самым популярным БАДом

Эксперт
Общение без раздражения: 5 правил коммуникации с пожилыми родителями Общение без раздражения: 5 правил коммуникации с пожилыми родителями

Пять вещей, которые важно помнить в момент заботы о престарелых родственниках

Psychologies
Экспедиция «Северный полюс-41»: что ученые нашли на глубине Северного Ледовитого океана Экспедиция «Северный полюс-41»: что ученые нашли на глубине Северного Ледовитого океана

Ученые дрейфующие в водах Северного Ледовитого океана, отбирают пробы грунта

ТехИнсайдер
20 лучших детективных сериалов 2010–2023 годов 20 лучших детективных сериалов 2010–2023 годов

Детективные сериалы, от которых вы не сможете оторваться

Maxim
Диета: Стол №1 Диета: Стол №1

Правила питания для больного желудка плюс примерное меню на неделю

Лиза
В доме на Невском В доме на Невском

Интерьер этой квартиры привлекает изяществом и оригинальными решениями

Идеи Вашего Дома
Открыть в приложении