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

Гитлер. Поход во власть Гитлер. Поход во власть

Человек, создавший Третий рейх, был, несомненно, злым гением

Дилетант
С едой на С едой на

РПП: что это за зверь такой и как это расстройство проявляется?

VOICE
Одомашнивание: новый цикл Одомашнивание: новый цикл

До конца нынешнего десятилетия произойдет очередная революция

Популярная механика
Супергероиня, преподавательница, мать: семь сериалов про женщин-адвокатов Супергероиня, преподавательница, мать: семь сериалов про женщин-адвокатов

Сериалы, где женщины-адвокаты являются если не основными, то важными персонажами

Forbes
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
Отсутствие друзей и равнодушие к собакам: как распознать низкий эмоциональный интеллект партнера — 12 признаков Отсутствие друзей и равнодушие к собакам: как распознать низкий эмоциональный интеллект партнера — 12 признаков

Как определить человека, обладающего низким эмоциональным интеллектом?

Psychologies
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
Ольга Лерман: «Берегите родных вашему сердцу и душе людей. А все остальное можно пережить» Ольга Лерман: «Берегите родных вашему сердцу и душе людей. А все остальное можно пережить»

Было странно сидеть без работы и участвовать в основном в массовых сценах

Коллекция. Караван историй
ТВС-2ДТС. Композитный кукурузник, который не смог ТВС-2ДТС. Композитный кукурузник, который не смог

О несостоявшейся рабочей лошадке малой авиации в России – ТВС-2ДТС

Наука и техника
«Дейзи Джонс и The Six»: красивая мелодрама о вымышленной рок-группе в стиле 1970-х «Дейзи Джонс и The Six»: красивая мелодрама о вымышленной рок-группе в стиле 1970-х

Сериал «Дейзи Джонс и The Six» — аутентичная история о любви и саморазрушении

Forbes
Карина-вирус! Карина-вирус!

В это тревожное время героиней обложки стала главная медсестра страны

Maxim
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
Отказ от курения: как перестать думать о сигаретах — 3 спасительных шага Отказ от курения: как перестать думать о сигаретах — 3 спасительных шага

Правила, которые останавливают механизм, запускающий мысли о сигаретах

Psychologies
Как Моррисси из героя музыкального культа превратился в парию Как Моррисси из героя музыкального культа превратился в парию

По любому вопросу у Моррисси всегда было свое, непопулярное мнение

СНОБ
Non-fiction Non-fiction

Каждое появление Даниила Воробьёва на экране — яркая вспышка, провокация

OK!
УАЗ «Профи». Полноприводная полуторка УАЗ «Профи». Полноприводная полуторка

Тестируем УАЗ «Профи»

4x4 Club
Премию Абеля присудили за работы по дифференциальным уравнениям в частных производных Премию Абеля присудили за работы по дифференциальным уравнениям в частных производных

Премия Абеля: вклад в теорию регулярности нелинейных дифференциальных уравнений

N+1
«Почему он мне не пишет»: гостинг, бенчинг, брэдкрампинг, мунинг — виды отвержения в онлайн-знакомствах «Почему он мне не пишет»: гостинг, бенчинг, брэдкрампинг, мунинг — виды отвержения в онлайн-знакомствах

Что делать, если вы стали жертвой «человека-призрака»?

Psychologies
Овцеводство поддержат по-новому Овцеводство поддержат по-новому

Новая программа овцеводства должна учесть специфику развития отрасли

Агроинвестор
Как пчелы делают мед: все секреты процесса получения природного десерта Как пчелы делают мед: все секреты процесса получения природного десерта

Мы все очень любим этот продукт, однако как пчелам удается его получить?

ТехИнсайдер
Мамины дочки в Голливуде: краткий обзор главных женских архетипов в кино Мамины дочки в Голливуде: краткий обзор главных женских архетипов в кино

Как в кино обычные женщиныборолись на экране и вне его за себя и других

Правила жизни
Распаривание лица: кому нужно, зачем и как его делать, объясняют эксперты Распаривание лица: кому нужно, зачем и как его делать, объясняют эксперты

Как и зачем нужно распаривать кожу?

VOICE
«Коллаборации выгодны всем»: шеф-повар Роман Киселев о трендах ресторанной индустрии «Коллаборации выгодны всем»: шеф-повар Роман Киселев о трендах ресторанной индустрии

Зачем шеф-поварам нужна творческая свобода и зачем объединяются специалисты

Forbes
От «Спрута» к «Медузе» От «Спрута» к «Медузе»

«Тень Караваджо»: Микеле Плачидо размышляет о гении и свободе

Weekend
Обратная сторона комплиментов: что не стоит говорить — 5 запрещенных приемов Обратная сторона комплиментов: что не стоит говорить — 5 запрещенных приемов

Как правильно подчеркнуть уникальность человека?

Psychologies
In vino veritas, или Женский взгляд на вино: как итальянки занимаются виноделием, попутно разрушая стереотипы In vino veritas, или Женский взгляд на вино: как итальянки занимаются виноделием, попутно разрушая стереотипы

Предубеждения и традиции не помеха на пути к должности CEO в любимой профессии

Правила жизни
Как легко и быстро нарезать ананас: 3 лучших лайфхака Как легко и быстро нарезать ананас: 3 лучших лайфхака

Лайфхак, который сэкономит ваши силы, нервы и время при чистке ананаса

ТехИнсайдер
Здоровый микробиом — здоровый организм Здоровый микробиом — здоровый организм

Как поддерживать баланс в микробиоме и какие исследования ведутся в этой области

Наука
Программисты, визионеры и гении бизнеса: кто придумал ChatGPT и куда они его ведут Программисты, визионеры и гении бизнеса: кто придумал ChatGPT и куда они его ведут

Как зародилась идея ChatGPT и какие цели преследуют ее создатели?

Forbes
Болливуд вместо Голливуда Болливуд вместо Голливуда

Краткая история советско-российско-индийской кинодружбы

Weekend
Открыть в приложении