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

Как летает «Кинжал» Как летает «Кинжал»

Что такое аэробаллистическая траектория и в чем ее преимущества

Популярная механика
Не только гладить вещи: 7 удивительных лайфхаков с утюгом — вы будете поражены! Не только гладить вещи: 7 удивительных лайфхаков с утюгом — вы будете поражены!

Рассказываем, как извлечь бо́льшую выгоду из обычного утюга

ТехИнсайдер
От бумеров до альфа От бумеров до альфа

Теория поколений распространилась в виде мемов и героев. Кто из них вы?

Популярная механика
Дискаунтер с элементами шика Дискаунтер с элементами шика

Федеральный ретейлер «Магнит» запускает сеть жестких дискаунтеров «Первый выбор»

Эксперт
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
Отрывок из дебютного романа Салли Пейдж «Хранительница историй» Отрывок из дебютного романа Салли Пейдж «Хранительница историй»

Уборщица Дженис собирает истории — они складываются обрывков разговоров

СНОБ
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
В отпуск в Петербург В отпуск в Петербург

Квартира в синих, молочно-бежевых и золотых оттенках настраивает на позитив

Идеи Вашего Дома
Это не ветка Это не ветка

Лев на картине Сано ди Пьетро несчастен не потому, что ему предложили ветку

Вокруг света
Ошибки мышления, которые портят жизнь Ошибки мышления, которые портят жизнь

Как бороться с внутренними установками, которые мешают быть успешным

Maxim
Микросхемам готовят отечественную печать Микросхемам готовят отечественную печать

Ключевой технологией для изготовления микроэлектроники, является фотолитография

Эксперт
Припекло везде и сразу Припекло везде и сразу

«Экстраполяции»: голливудские звезды в климатической проповеди Скотта Бёрнса

Weekend
Пациентка, исцеленная от ВИЧ и рака, уже 30 месяцев не принимает лекарства — терапия увенчалась успехом Пациентка, исцеленная от ВИЧ и рака, уже 30 месяцев не принимает лекарства — терапия увенчалась успехом

Как пациентке из Нью-Йорка удалось победить ВИЧ

ТехИнсайдер
Метод «Джакарта»: как антикоммунистическая политика США изменила «третий мир» Метод «Джакарта»: как антикоммунистическая политика США изменила «третий мир»

Как США поменяли вектор политического развития сразу на нескольких континентах

Forbes
Как в мире борются с незаконным выловом кальмара Как в мире борются с незаконным выловом кальмара

Чем незаконный вылов грозит кальмарам?

СНОБ
Волшебство или химический коктейль: что такое любовь с точки зрения биологии Волшебство или химический коктейль: что такое любовь с точки зрения биологии

Как чувство любви меняет мозг?

Psychologies
Выгорание, опустошение и хронический стресс: 5 признаков, что вы в зоне риска, и советы от психолога Выгорание, опустошение и хронический стресс: 5 признаков, что вы в зоне риска, и советы от психолога

Как предотвратить выгорание?

Psychologies
Вопрос на засыпку: почему кислород назвали кислородом, если он не кислый? Вопрос на засыпку: почему кислород назвали кислородом, если он не кислый?

Почему кислород безвкусный?

ТехИнсайдер
Не психолог и не коуч: кто такой наставник Не психолог и не коуч: кто такой наставник

Что входит в задачи наставника?

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

Истории наших героинь, которые работают помощниками машиниста

Лиза
Любовь на расстоянии: сближения не предвидится Любовь на расстоянии: сближения не предвидится

Отношения на расстоянии возвращают нас к буйным годам студенчества

VOICE
«Деньги — это не секрет счастья, но они могут немного помочь». Как на самом деле связаны финансовый успех и эмоциональное благополучие «Деньги — это не секрет счастья, но они могут немного помочь». Как на самом деле связаны финансовый успех и эмоциональное благополучие

Как деньги влияют на наше счастье?

Inc.
«Мой ребенок прекрасен!»: 82-летний Роберто Кавалли стал отцом в шестой раз «Мой ребенок прекрасен!»: 82-летний Роберто Кавалли стал отцом в шестой раз

Бывшая шведская модель Playboy сделала Роберто Кавалли отцом в шестой раз

VOICE
Текстовое сообщество Текстовое сообщество

Тима Радя: поэзия на улице

Weekend
Сбой запроса дескриптора USB устройства: что делать? Сбой запроса дескриптора USB устройства: что делать?

Сбой запроса дескриптора USB устройства Код 43. Что это за проблема?

CHIP
Как люди отреагировали на смерть Сталина? Прочтите эти воспоминания! Как люди отреагировали на смерть Сталина? Прочтите эти воспоминания!

Тревога, радость и всенародное горе — как люди восприняли кончину Сталина

ТехИнсайдер
Артемида, Гера, Деметра: 3 архетипа фаллических женщин — разбор с психологами Артемида, Гера, Деметра: 3 архетипа фаллических женщин — разбор с психологами

Почему некоторые женщины стремятся обладать властью и подавлять других?

Psychologies
Тайская весна Тайская весна

На тайских курортах незабываемые впечатления весной обеспечены

Лиза
Пример страсти и воинственности: история первой леди Аргентины Эвы Перон Пример страсти и воинственности: история первой леди Аргентины Эвы Перон

Эва Перон могла жить как светская львица, но посвятила себя борьбе с бедностью

Forbes
Ретропричинность: как квантовый мир может изменять привычные нам законы физики Ретропричинность: как квантовый мир может изменять привычные нам законы физики

Физики предложили смелую теорию ретропричинности

ТехИнсайдер
Открыть в приложении