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

Помпеи — сундук с сокровищами, который никогда не перестанет удивлять Помпеи — сундук с сокровищами, который никогда не перестанет удивлять

В Инсуле 10 был обнаружен триклиний, украшенный невероятной красоты фресками

Наука
Одна из крупнейших черных дыр, известных науке, оказалась настоящим монстром Одна из крупнейших черных дыр, известных науке, оказалась настоящим монстром

Как выглядит одна из самых больших черных дыр во Вселенной

ТехИнсайдер
Космическая пыль в междупланетном пространстве Космическая пыль в междупланетном пространстве

Наука в годы войны: астроном Фесенков об астероидах и космической пыли

Наука и жизнь
Найден способ исцеления мерцательной аритмии без хирургического вмешательства Найден способ исцеления мерцательной аритмии без хирургического вмешательства

Процедура, которая может стать одним из методов лечения мерцательной аритмии

ТехИнсайдер
Птолемеево царство Птолемеево царство

Птолемей не верил в империю своего отца, он хотел построить свое великое царство

Дилетант
В чем разница между оливками и маслинами. Дело не только в цвете В чем разница между оливками и маслинами. Дело не только в цвете

Что такое маслины и чем они отличаются от зеленых оливок?

ТехИнсайдер
Художник за час: почему на мастер-классе тебя не научат рисовать? Художник за час: почему на мастер-классе тебя не научат рисовать?

Мастер-класс «Картина за час». Идти нельзя не идти? Где поставить запятую?

VOICE
7 редких экспонатов Музея-квартиры Николая Голованова 7 редких экспонатов Музея-квартиры Николая Голованова

Удивительные предметы из коллекции музыканта Николая Голованова

Культура.РФ
Делаем аватарки с помощью нейросети: какой сервис лучше Делаем аватарки с помощью нейросети: какой сервис лучше

Какая из нейросетей лучше всего подходит для создания аватарки?

CHIP
ИИ научился убирать атмосферные помехи с астрономических снимков ИИ научился убирать атмосферные помехи с астрономических снимков

Изображения с лучших наземных телескопов размыты из-за смещения воздушных масс

ТехИнсайдер
Почему бренди ничем не хуже коньяка и как научиться разбираться в этом напитке Почему бренди ничем не хуже коньяка и как научиться разбираться в этом напитке

Честно говоря, мы думали, что бренди — это просто. Но все гораздо сложнее

Maxim
Время глобальной эмпатии: Александр Алексеев — о развитии креативных коммуникаций в России Время глобальной эмпатии: Александр Алексеев — о развитии креативных коммуникаций в России

Об актуальных трендах креативных коммуникаций и достижениях в сфере рекламы

СНОБ
Миротворческий работник Миротворческий работник

Марина Алексеева: метаморфозы реальности

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

Детективные сериалы, от которых вы не сможете оторваться

Maxim
На АвтоВАЗе стартовало производство обновленной Lada Vesta На АвтоВАЗе стартовало производство обновленной Lada Vesta

АвтоВАЗ возобновил производство модернизированной Lada Vesta

РБК
Безусловное принятие: как (не) вырастить монстра Безусловное принятие: как (не) вырастить монстра

Что случится с ребенком, если ему все позволять и ни в чем не ограничивать?

Psychologies
Болливуд вместо Голливуда Болливуд вместо Голливуда

Краткая история советско-российско-индийской кинодружбы

Weekend
«Цена бессмертия: Гонка за последней мечтой человечества» «Цена бессмертия: Гонка за последней мечтой человечества»

Могут ли биотехнологии подарить вечную жизнь

N+1
5 причин почитать «Орбиту смерти» канадского астронавта Криса Хэдфилда 5 причин почитать «Орбиту смерти» канадского астронавта Криса Хэдфилда

На русском вышел роман «Орбита смерти», написанный астронавтом Крисом Хэдфилдом

ТехИнсайдер
«Зачем ты позволила ему?»: почему матери предпочитают не замечать насилие мужей над детьми «Зачем ты позволила ему?»: почему матери предпочитают не замечать насилие мужей над детьми

Почему матери не верят детям, когда те говорят им о насилии?

Psychologies
Время пришло: как часовые и ювелирные бренды осваивают NFT-вселенную Время пришло: как часовые и ювелирные бренды осваивают NFT-вселенную

Можно ли балансировать между реальным и виртуальным продуктом

Forbes
Как бывший гендиректор Microsoft строит новую арену для собственного клуба НБА Как бывший гендиректор Microsoft строит новую арену для собственного клуба НБА

Как Стив Балмер строит для «Лос-Анджелес Клипперс» роскошную спортивную арену

Forbes
Душа аромата Душа аромата

Парфюмер Иван Якимов – о фантазийных мирах и магии ароматов

Новый очаг
Свой след Свой след

История Дома Doucal’s берёт начало на родине основателя бренда Марио Джаннини

Robb Report
«К Мии отношусь с трепетом, а Дэвидом кручу»: Влад Соколовский разоткровенничался о детях от разных женщин «К Мии отношусь с трепетом, а Дэвидом кручу»: Влад Соколовский разоткровенничался о детях от разных женщин

Влад Соколовский объяснил, почему по-разному общается с сыном и дочерью

VOICE
Невидимая болезнь: что важно знать о деменции Невидимая болезнь: что важно знать о деменции

Можно ли защититься от деменции и как сохранить ясность ума в пожилом возрасте

Правила жизни
«Восток поднимается, а Запад катится вниз»: самые яркие высказывания Си Цзиньпина о США, СССР, войне и мире «Восток поднимается, а Запад катится вниз»: самые яркие высказывания Си Цзиньпина о США, СССР, войне и мире

На примере цитат китайского лидера показываем его политическую позицию

Maxim
Сложная проблема Сложная проблема

Рассеянный склероз: что это за болезнь и как она проявляется?

Лиза
Гитлер. Поход во власть Гитлер. Поход во власть

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

Дилетант
Был беженцем, стал звездой: виражи судьбы Ке Хью Квана — первого актера вьетнамского происхождения с Был беженцем, стал звездой: виражи судьбы Ке Хью Квана — первого актера вьетнамского происхождения с

Биография вьетнамского актера Ке Хью Квана достойна экранизации

VOICE
Открыть в приложении