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

Силой мысли, или что обещает нам Илон Маск Силой мысли, или что обещает нам Илон Маск

Чего же Маск хотел в сфере нейроинтерфейсов, что сделал и что сможет сделать

Популярная механика
Истории о свободе: главные проекты признанного иноагентом Сахаровского центра Истории о свободе: главные проекты признанного иноагентом Сахаровского центра

Главные проекты Сахаровского центра, с которыми он навсегда войдет в историю

Forbes
Вакуумный корабль Вакуумный корабль

Отличным грузовым транспортом могут стать дирижабли, наполненные вакуумом

ТехИнсайдер
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
Пятнадцать лет на одно зернышко Пятнадцать лет на одно зернышко

Элитный картофель, конкурентоспособная свекла и зимостойкая пшеница

Наука
Плохое психическое здоровье студентов провоцирует бросить учебу. Серьезная ли это проблема? Плохое психическое здоровье студентов провоцирует бросить учебу. Серьезная ли это проблема?

Все больше студентов готовы бросить учебу из-за плохого душевного состояния

ТехИнсайдер
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
В молекуле от зомби-апопокалипсиса: как белок может сломать человеческий мозг В молекуле от зомби-апопокалипсиса: как белок может сломать человеческий мозг

Отрывок из книги «В молекуле от безумия»

Forbes
Моя оборона Моя оборона

У нас много вопросов к специалистам по кибербезопасности

Men Today
Сложная проблема Сложная проблема

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

Лиза
Минный пол Минный пол

20 вещей, которых мы боимся в женщинах

Maxim
На темной стороне: как развитие ИИ влияет на уровень кибербезопасности На темной стороне: как развитие ИИ влияет на уровень кибербезопасности

Представляя 2023 год через призму кибербезопасности, точно стоит быть оптимистом

Forbes
10 самых ядовитых змей на планете 10 самых ядовитых змей на планете

Мы инстинктивно боимся змей, и это не зря!

ТехИнсайдер
Мучной рост с низкой базы Мучной рост с низкой базы

Потенциал экспорта муки из России оценивается в 3 млн т

Агроинвестор
Маша Белик Маша Белик

Маша Белик — главный (пост)кутюрье страны

Собака.ru
Что делать, если один наушник AirPods не работает? Что делать, если один наушник AirPods не работает?

AirPods великолепны — за исключением случаев, когда один из них не работает

ТехИнсайдер
Бессердечная эволюция: ученые объяснили, почему женщины носят каблуки Бессердечная эволюция: ученые объяснили, почему женщины носят каблуки

Вердикт медиков однозначен: высокие каблуки могут быть опасны для здоровья

VOICE
Всё сначала Всё сначала

Turquoise Yachts продолжает работу над необычным для себя проектом Rainbow II

Y Magazine
Припекло везде и сразу Припекло везде и сразу

«Экстраполяции»: голливудские звезды в климатической проповеди Скотта Бёрнса

Weekend
Цифровые жулики Цифровые жулики

Как мошенники используют интернет-технологии для сделок с недвижимостью

Деньги
Миротворческий работник Миротворческий работник

Марина Алексеева: метаморфозы реальности

Weekend
Как познакомиться с девушкой при помощи хиромантии Как познакомиться с девушкой при помощи хиромантии

Отрываем от сердца секретную технологию соблазнения

Maxim
Невозможное возможно Невозможное возможно

10 страхов, которые мешают тебе добиться успеха в карьере

Лиза
«Шелковая нить» для Персидского залива «Шелковая нить» для Персидского залива

Что сулит Ближнему Востоку ирано-саудовское примирение и при чем тут Китай

Эксперт
В носочках и под музыку В носочках и под музыку

6 приемов для лучшего секса, доказанные наукой

Лиза
«Советская повседневность» «Советская повседневность»

Отрывок из книги «Советская повседневность: нормы и аномалии»

N+1
Лучшая книга в истории человечества Лучшая книга в истории человечества

Существует ли роман или поэма, которые каждый обязан прочесть?

Maxim
«Тайна одной саламандры»: 5 причин прочитать книгу Дмитрия Миропольского о приключениях и научных открытиях «Тайна одной саламандры»: 5 причин прочитать книгу Дмитрия Миропольского о приключениях и научных открытиях

«Тайна одной саламандры» погрузит вас в водоворот приключений и научных открытий

ТехИнсайдер
Почему люди моргают? Почему люди моргают?

Для чего человеческому организму нужен механизм моргания?

ТехИнсайдер
Все проблемы сводятся к питанию: эти 4 продукта могут вызвать депрессию Все проблемы сводятся к питанию: эти 4 продукта могут вызвать депрессию

Замечаете за собой, как ваше настроение зависит от съеденной вами еды?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении