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

В поисках ядерного буксира В поисках ядерного буксира

Почему ядерные корабли до сих пор не появились?

Популярная механика
Эти цветы нельзя дарить женщинам: отдай их обратно поклоннику и больше не ходи с ним на свидание! Эти цветы нельзя дарить женщинам: отдай их обратно поклоннику и больше не ходи с ним на свидание!

Рассказываем, какие цветы дарить не стоит, и объясняем, почему

VOICE
Секреты «Белого лебедя» Секреты «Белого лебедя»

В России возобновлено производство одного из мощнейших бомбардировщиков мира

Популярная механика
(Не)сладкая жизнь: большой гид по заменителям сахара (Не)сладкая жизнь: большой гид по заменителям сахара

Чем заменить сахар без вреда для здоровья и стоит ли вообще это делать

Правила жизни
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
Химия любви Химия любви

Как связаны любовь, секс и здоровье

Новый очаг
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
«Инвалид» и «псих»: что такое психофобная лексика и почему ее не стоит употреблять «Инвалид» и «псих»: что такое психофобная лексика и почему ее не стоит употреблять

Что такое эйблизм и психофобная лексика, и как изменить язык на пользу обществу?

Forbes
Доход с разумным риском Доход с разумным риском

Специалисты советуют инвесторам-физлицам повышать уровень финансовой грамотности

РБК
Древние сапиенсы из пещеры Фумане сняли шкуры с волков и лис ради меха Древние сапиенсы из пещеры Фумане сняли шкуры с волков и лис ради меха

Иногда сапиенсы ловили волков и лис исключительно ради меха

N+1
Маломощные реакторы спасут мирный атом Маломощные реакторы спасут мирный атом

Репутация – главная проблема атомной энергетики в XXI веке

Популярная механика
Смертная уборка: мудрая шведская система наведения порядка, которая легче и понятнее, чем метод Мари Кондо Смертная уборка: мудрая шведская система наведения порядка, которая легче и понятнее, чем метод Мари Кондо

Дёстеднинг — шведское изобретение для обеспечения комфорта в доме

VOICE
Владелец Regent — о пяти слагаемых ресторанного бизнеса и винной карте Владелец Regent — о пяти слагаемых ресторанного бизнеса и винной карте

Ресторатор Алексей Пинский — о балансе меню и нюансах составления винной карты

РБК
Боль так сладка!.. Как современные авторы описывают абьюз: разбор с примерами Боль так сладка!.. Как современные авторы описывают абьюз: разбор с примерами

Психолог рассказывает про абьюз в современной литературе

Psychologies
«Google уже не тот»: почему сотрудники компании недовольны своим гендиректором «Google уже не тот»: почему сотрудники компании недовольны своим гендиректором

Как генеральный директор компании Google сам себя загнал в угол

Forbes
Николас Кейдж и братство Дракулы: самые жуткие и харизматичные исполнители роли главного вампира в кино Николас Кейдж и братство Дракулы: самые жуткие и харизматичные исполнители роли главного вампира в кино

Роль главного кровососа всех времен и народов — вспоминаем впечатляющих актеров

VOICE
Как картины и фотографии усиливают эффект пропаганды и создают мифы о правителях Как картины и фотографии усиливают эффект пропаганды и создают мифы о правителях

Глава из книги «Взгляд историка: как фотографии и изображения создают историю»

Forbes
Автофикшн: 5 лучших книг для знакомства с жанром Автофикшн: 5 лучших книг для знакомства с жанром

Подборка книг для погружения в автофикшн

Maxim
5 продуктов, которые заставят ваш кишечник работать как часы 5 продуктов, которые заставят ваш кишечник работать как часы

Продукты, которые необходимо включить в рацион, чтобы запустить работу кишечника

ТехИнсайдер
Мать Леонардо да Винчи была рабыней, которую похитили на Кавказе и продали в Италию еще подростком Мать Леонардо да Винчи была рабыней, которую похитили на Кавказе и продали в Италию еще подростком

Мать Леонардо да Винчи была подростком, похищенным и порабощенным на Кавказе

ТехИнсайдер
Психосоматика абьюза: как меняется женское тело, если муж — тиран Психосоматика абьюза: как меняется женское тело, если муж — тиран

Как тело и душа страдают от абьюза и что с этим делать?

Psychologies
Припекло везде и сразу Припекло везде и сразу

«Экстраполяции»: голливудские звезды в климатической проповеди Скотта Бёрнса

Weekend
Равнение на «Знамя» Равнение на «Знамя»

Hongqi E HS9 стал чуть ли не первым представителем тяжелого автомобильного люкса

Автопилот
Психолог — о возрастных стереотипах и «третьей молодости» Психолог — о возрастных стереотипах и «третьей молодости»

Как наслаждаться второй половиной жизни?

РБК
Какой шанс встретить идеального партнера: математические аспекты любви — проверьте на практике Какой шанс встретить идеального партнера: математические аспекты любви — проверьте на практике

Применимы ли математические методы к любовному поиску?

Psychologies
Бесполезные советы Бесполезные советы

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

Лиза
Как сохранить страсть после рождения ребенка: 3 простых шага — укрепите брак Как сохранить страсть после рождения ребенка: 3 простых шага — укрепите брак

Как сохранить близость после появления ребенка, несмотря на все сложности?

Psychologies
Соперники «Весты». Машины дешевле ₽2 млн, которые уже можно купить Соперники «Весты». Машины дешевле ₽2 млн, которые уже можно купить

В России встречаются новые автомобили, готовые составить конкуренцию «Весте»

РБК
Он пробыл 16 часов в желудке кашалота и остался жив: удивительная история Джеймса Бартли Он пробыл 16 часов в желудке кашалота и остался жив: удивительная история Джеймса Бартли

В 1891 году моряк английского судна Джеймс Бартли был проглочен огромным китом

ТехИнсайдер
Как правильно подготовить смартфон к продаже Как правильно подготовить смартфон к продаже

Важные пункты, о которых многие забывают при продаже смартфона

Maxim
Открыть в приложении