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

Учить всему всех всеми Учить всему всех всеми

Нарастающее усложнение современного мира — это системный вызов образованию

Наука
Как я встретила отца спустя 15 лет: история родительской ссоры глазами дочери Как я встретила отца спустя 15 лет: история родительской ссоры глазами дочери

Как родители делают ребенка невольным заложником своих решений

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
«Мы — однопланетяне» «Мы — однопланетяне»

Недавно Никита Ефремов получил премию «Золотой орел»

OK!
Секреты «Белого лебедя» Секреты «Белого лебедя»

В России возобновлено производство одного из мощнейших бомбардировщиков мира

Популярная механика
«Денежный выстрел»: как сервис Pornhub навсегда изменил порноиндустрию «Денежный выстрел»: как сервис Pornhub навсегда изменил порноиндустрию

«Денежный выстрел»: докфильм о том, как Pornhub перевернул игру

Forbes
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
Ученые засняли уникальные кадры ударов молний по высотным зданиям Ученые засняли уникальные кадры ударов молний по высотным зданиям

Как выглядит молния во время её удара?

ТехИнсайдер
Мир экзопланет: как на орбитах у других солнц были открыты «непланеты» Мир экзопланет: как на орбитах у других солнц были открыты «непланеты»

О том, как обнаруживаются экзопланеты и какими они бывают

Наука и техника
Помощь недруга Помощь недруга

Как план Маршалла и отказ СССР от участия в нем привели к Холодной войне

Weekend
Цифровая лихорадка Цифровая лихорадка

Наиболее интересные выступления из конференции CG Event

Популярная механика
Дмитрий Свиргунов из Cream Soda и другие звезды, жизнь которых унесла вода Дмитрий Свиргунов из Cream Soda и другие звезды, жизнь которых унесла вода

Звездные истории о том, что утонуть можно даже в собственной ванне

VOICE
Пятнадцать лет на одно зернышко Пятнадцать лет на одно зернышко

Элитный картофель, конкурентоспособная свекла и зимостойкая пшеница

Наука
Никакого сходства с реальностью: почему в Средневековье рисовали таких нелепых львов Никакого сходства с реальностью: почему в Средневековье рисовали таких нелепых львов

Искусство средневековых художников не отличалось реалистичностью изображения

ТехИнсайдер
На защите молодости кожи: 5 фактов о протеоме На защите молодости кожи: 5 фактов о протеоме

Чтобы замедлить процессы старения, нужно обратить внимание на защиту протеома

РБК
«Я работаю на электропогрузчике»: как женщины осваивают мужские профессии — 3 настоящие истории «Я работаю на электропогрузчике»: как женщины осваивают мужские профессии — 3 настоящие истории

Существует ли разделение на мужскую и женскую работу сегодня?

Psychologies
Не выбрасывайте добро! 7 причин сохранить луковую шелуху с пользой для дома Не выбрасывайте добро! 7 причин сохранить луковую шелуху с пользой для дома

Луковой шелухой можно не только красить яйца на Пасху!

ТехИнсайдер
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
Пчелы ориентируются в полете, как пилоты первых самолетов Пчелы ориентируются в полете, как пилоты первых самолетов

Чем похожи пчелы и пилоты-люди?

ТехИнсайдер
«Мы шутили, что к нам еще только медведь не пришел»: Анастасия Стежко о съемках сериала «Вампиры средней полосы» «Мы шутили, что к нам еще только медведь не пришел»: Анастасия Стежко о съемках сериала «Вампиры средней полосы»

Анастасия Стежко раскрыла секреты съемок экшн-сцен «Вампиров средней полосы»

VOICE
Из чего сделаны наши девчонки: 11 фильмов о сильных женщинах Из чего сделаны наши девчонки: 11 фильмов о сильных женщинах

Фильмы о сильных женщинах: от смелости и выносливости до оголтелой мстительности

Правила жизни
Любовь на расстоянии: сближения не предвидится Любовь на расстоянии: сближения не предвидится

Отношения на расстоянии возвращают нас к буйным годам студенчества

VOICE
Нейросети, доступные каждому: большой актуальный каталог Нейросети, доступные каждому: большой актуальный каталог

Составили для вас большой каталог нейросетей на все случаи жизни

CHIP
10 самых сексуальных женщин-роботов в кино 10 самых сексуальных женщин-роботов в кино

Красавицы на микрочипах поджидают тебя в лучших фантастических фильмах

Maxim
Бесполезные советы Бесполезные советы

7 популярных лайфхаков в уборке, которые на самом деле не работают

Лиза
Какой будет новая технологическая эпоха с ИИ? Мнение Билла Гейтса Какой будет новая технологическая эпоха с ИИ? Мнение Билла Гейтса

Технологические достижения могут до неузнаваемости изменить жизнь обывателей

ТехИнсайдер
Как восстановить кожу после затяжной зимы: гид по самым нужным весенним процедурам Как восстановить кожу после затяжной зимы: гид по самым нужным весенним процедурам

Хочешь порадовать свою кожу весенним походом в кабинет к косметологу?

VOICE
«Я понял, каково потерять все деньги» «Я понял, каково потерять все деньги»

Андрей Дороничев — о том, как его стартап пережил крах Silicon Valley Bank

Inc.
Любовь и кровь: знаменитости, жестоко убитые собственными фанатами Любовь и кровь: знаменитости, жестоко убитые собственными фанатами

Случаи, когда звезды умерли именно от рук тех, кто еще недавно их боготворил

VOICE
“Парадокс ожирения” развенчан. Ученые установили, что лишний вес повышает смертность “Парадокс ожирения” развенчан. Ученые установили, что лишний вес повышает смертность

Как жир влияет на здоровье человека?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении