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

Пятнадцать лет на одно зернышко Пятнадцать лет на одно зернышко

Элитный картофель, конкурентоспособная свекла и зимостойкая пшеница

Наука
Как долго человек может обходиться без сна? И что случится, если хронически недосыпать? Как долго человек может обходиться без сна? И что случится, если хронически недосыпать?

Насколько важен регулярный сон для повседневной жизни человека?

ТехИнсайдер
Энергия под контролем Энергия под контролем

Водородная и альтернативная энергетика а также её защита

Наука
Литература Литература

«Дыр бул щыл убеш щур», – до сих пор одно из самых глубоких русских высказываний

Правила жизни
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
«Какая мерзость»: как издательство No Kidding Press выпускает в России фем-литературу «Какая мерзость»: как издательство No Kidding Press выпускает в России фем-литературу

Как живет издательство, которое переводит и издает книги, написанные женщинами

Forbes
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
Нарциссы: как их распознать и правильно вести себя с ними Нарциссы: как их распознать и правильно вести себя с ними

Как вычислить нарциссов в окружении и всегда ли нужно рвать отношения с ними

Правила жизни
Эволюция экскаваторов Эволюция экскаваторов

Строитель будущего будет управлять экскаватором не выходя из дома

Популярная механика
Исцеление письмом: в чем заключается терапевтическая сила дневников и автобиографий Исцеление письмом: в чем заключается терапевтическая сила дневников и автобиографий

Почему ведение дневника может оказывать терапевтический эффект?

Forbes
Истребитель дронов Истребитель дронов

Российская компания представила первый в мире беспилотный истребитель дронов

Популярная механика
Вакантное место: как изменился российский рынок недвижимости Вакантное место: как изменился российский рынок недвижимости

Саян Цыренов рассказывает, как трансформируется российский рынок недвижимости

Forbes
Гетто, которого «не было» Гетто, которого «не было»

Было ли в Москве еврейское гетто?

Дилетант
Ford представил новый электрический Explorer, продолжающий миссию Autolatina Ford представил новый электрический Explorer, продолжающий миссию Autolatina

Чем примечателен электрический Explorer EV?

4x4 Club
Цвет имеет значение: как необычные драгоценные камни становятся выгодной инвестицией Цвет имеет значение: как необычные драгоценные камни становятся выгодной инвестицией

Почему стоит обратить внимание именно на цветные драгоценные камни?

Forbes
Морские слоны слишком сексуально активны! У них растет риск ранней смерти Морские слоны слишком сексуально активны! У них растет риск ранней смерти

Чересчур активная полигамия может привести к ранней смерти морских слонов

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

Удивительные предметы из коллекции музыканта Николая Голованова

Культура.РФ
Цветоделение пространства Цветоделение пространства

Небольшая квартира с европейским минимализмом и сочными цветами в отделке

Идеи Вашего Дома
У них всё серьёзно У них всё серьёзно

Как говорить с детьми о любви

Новый очаг
Одиноким предоставляется. 8 лучших сайтов знакомств для серьезных отношений Одиноким предоставляется. 8 лучших сайтов знакомств для серьезных отношений

Перебираем лучшие сервисы в поисках серьезных отношений

Цифровой океан
«Пластикоз»: ученые дали имя синдрому, из-за которого желудки птиц буквально разрывает изнутри острыми фрагментами пластика «Пластикоз»: ученые дали имя синдрому, из-за которого желудки птиц буквально разрывает изнутри острыми фрагментами пластика

Птицы и рыбы во всем мире тихо страдают от новой болезни

ТехИнсайдер
Не до секса: почему в трудные времена пропадает желание и как его вернуть Не до секса: почему в трудные времена пропадает желание и как его вернуть

Какую роль в сексе играет чувство безопасности и как настроиться на близость?

Psychologies
Новая атака сибирской язвы: чем так опасна эта болезнь? Новая атака сибирской язвы: чем так опасна эта болезнь?

Как происходит заражение, чем лечиться и как оградить себя от сибирской язвы

ТехИнсайдер
Ричард Осман: «Выстрел мимо цели» Ричард Осман: «Выстрел мимо цели»

Глава ироничного детектива Ричарда Османа: «Выстрел мимо цели»

СНОБ
«Хочу управлять электропоездом!» Спецрепортаж к 8 Марта «Хочу управлять электропоездом!» Спецрепортаж к 8 Марта

Истории наших героинь, которые работают помощниками машиниста

Лиза
Рыба растет Рыба растет

Российские инвесторы стали активнее вкладываться в развитие аквакультуры

Агроинвестор
Обратный отсчет Обратный отсчет

Похудеть на 5 кг за неделю: 7 работающих способов

Лиза
Позвольте Ремарку. Почему новая экранизация «На Западном фронте без перемен» войдет в историю, даже если не выиграет «Оскар» Позвольте Ремарку. Почему новая экранизация «На Западном фронте без перемен» войдет в историю, даже если не выиграет «Оскар»

«На Западном фронте без перемен» — самая страшная экранизация романа Ремарка

Правила жизни
Созависимые отношения: 5 главных мифов — узнайте правду Созависимые отношения: 5 главных мифов — узнайте правду

Психотерапевт разбирает мифы, связанные с созависимыми отношениями

Psychologies
Золотой век тирании: как прогрессивная демократия на Филиппинах стала диктатурой Золотой век тирании: как прогрессивная демократия на Филиппинах стала диктатурой

Фердинанд Маркос — один из самых расчетливых азиатских диктаторов XX века

Forbes
Открыть в приложении