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

Долгая счастливая жизнь Долгая счастливая жизнь

Старение – это естественно, но не нормально

Популярная механика
Сгоревшая демократия Сгоревшая демократия

27 февраля 1933 года в Берлине был подожжён Рейхстаг

Дилетант
Как Египет заработал на раскопки Как Египет заработал на раскопки

Гробница KV 62 остается единственным не разграбленным погребением в Долине Царей

Наука
Зеленый бриллиант: почему зеленку не применяют нигде в мире, кроме стран СНГ Зеленый бриллиант: почему зеленку не применяют нигде в мире, кроме стран СНГ

Для чего на самом деле нужна зеленка?

ТехИнсайдер
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
Рыба растет Рыба растет

Российские инвесторы стали активнее вкладываться в развитие аквакультуры

Агроинвестор
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
Энергетическая революция: ученые создают накопители энергии на сверхпроводниках Энергетическая революция: ученые создают накопители энергии на сверхпроводниках

Ученые разрабатывают революционные накопители энергии нового типа

ТехИнсайдер
Поля морей Поля морей

Новые технологии сельского хозяйства: фермы в океане

Популярная механика
Рейс MH370: каким получился сериал о самой загадочной катастрофе в истории авиации Рейс MH370: каким получился сериал о самой загадочной катастрофе в истории авиации

Сериал о том, что могло произойти с рейсом MH370

Forbes
«Кладовые солнца» калужской земли «Кладовые солнца» калужской земли

Болота. Много или мало их в России?

Наука и жизнь
Переложение для восьми волосов Переложение для восьми волосов

Генетики хотели разобраться со здоровьем Бетховена, но уперлись в генеалогию

N+1
«Как обследовать росомаху» «Как обследовать росомаху»

Истории из ветеринарной практики

N+1
Колыбель для ВПК Колыбель для ВПК

Академгородок как главная утопия Холодной войны

Weekend
Сколько на самом деле стоит автомобиль? Сколько на самом деле стоит автомобиль?

Жизнь автомобиля начинается задолго до момента, когда мы впервые садимся за руль

4x4 Club
Звёздные семена: почему некоторые люди считают себя инопланетянами, живущими на Земле? Звёздные семена: почему некоторые люди считают себя инопланетянами, живущими на Земле?

Откуда возник термин «звёздные семена»?

ТехИнсайдер
Кочевые игры Кочевые игры

Весной в горах Киргизии становится оживленно

Отдых в России
Самые интересные российские вина из шардоне Самые интересные российские вина из шардоне

Чем интересны российские вина из «шардоне» и на какие стоит обратить внимание

СНОБ
Какой у тебя SQ? Какой у тебя SQ?

Сексуальный интеллект: что это такое, зачем его прокачивать?

Лиза
Дани Редд: «Арктический клуб любителей карри». Дорога к Третьему полюсу Дани Редд: «Арктический клуб любителей карри». Дорога к Третьему полюсу

Отрывок из книги Дани Редд — как рецепты из маминой книги помогают героине

СНОБ
Пятнадцать лет на одно зернышко Пятнадцать лет на одно зернышко

Элитный картофель, конкурентоспособная свекла и зимостойкая пшеница

Наука
Покупка подержанного Hyundai Santa Fe III (2012-2018) Покупка подержанного Hyundai Santa Fe III (2012-2018)

У подержанного Hyundai Santa Fe третьего поколения почти нет проблем

4x4 Club
Почему «Всё везде и сразу» победил на Оскаре и стоит ли на него тратить время Почему «Всё везде и сразу» победил на Оскаре и стоит ли на него тратить время

Фантастический феномен, который уничтожил все традиционные оскаровские расклады

Maxim
Союз дела и денег. Оценка экономической устойчивости проектов в области социального предпринимательства | The Union of Business and Money. Evaluation of the Economic Sustainability of Social Entrepreneurship Projects Союз дела и денег. Оценка экономической устойчивости проектов в области социального предпринимательства | The Union of Business and Money. Evaluation of the Economic Sustainability of Social Entrepreneurship Projects

Модель оценки воздействия проектов в области социального предпринимательства

Позитивные изменения
Искусство советского плаката: как Эль Лисицкий продвинул идеологию на Запад Искусство советского плаката: как Эль Лисицкий продвинул идеологию на Запад

Как Элю Лисицкому удалось прославиться на Западе и прославить при этом СССР

Правила жизни
Как такое возможно: советский хирург Леонид Рогозов взял в руки скальпель и вырезал себе аппендицит Как такое возможно: советский хирург Леонид Рогозов взял в руки скальпель и вырезал себе аппендицит

Как молодой хирург Леонид Рогозов сам себе удалил аппендикс

ТехИнсайдер
Не суперъяхтами едиными Не суперъяхтами едиными

Долой вредные стереотипы! Они мешают жить

Y Magazine
Как понять, что у тебя гормональный дисбаланс: 6 изменений тела, которые должны насторожить Как понять, что у тебя гормональный дисбаланс: 6 изменений тела, которые должны насторожить

Расстройства в гормональной сфере могут быть удивительно разнообразны

VOICE
Почему выпадают волосы? Почему выпадают волосы?

От чего зависит здоровье волос?

Здоровье
Искусственная кожа, выдерживающая экстремальный холод и убивающая микробов: теперь покров кальмаров могут носить и люди Искусственная кожа, выдерживающая экстремальный холод и убивающая микробов: теперь покров кальмаров могут носить и люди

Искусственная кожа сможет убивать бактерии и грибки

ТехИнсайдер
Открыть в приложении