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

Вертолет, который смог Вертолет, который смог

Как Ingenuity собирает данные на Марсе

ТехИнсайдер
Математики нашли многоугольник для апериодического паркета Математики нашли многоугольник для апериодического паркета

Найден невыпуклый многоугольник, замощающий плоскость только апериодически

N+1
«Слишком много шума» «Слишком много шума»

Лев Ландау выделялся глубоким пониманием всех разделов физической науки

Наука
«Верунчик, сделай одолжение!» Почему опасно быть безотказной «Верунчик, сделай одолжение!» Почему опасно быть безотказной

Разбираемся, как отличить манипулятора и отстоять свои границы

Psychologies
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
8 Марта: что нужно знать о празднике в XXI веке — исторический разбор 8 Марта: что нужно знать о празднике в XXI веке — исторический разбор

Изучаем, как появилось и изменилось Восьмое Марта в нашем календаре

Psychologies
Пятнадцать лет на одно зернышко Пятнадцать лет на одно зернышко

Элитный картофель, конкурентоспособная свекла и зимостойкая пшеница

Наука
Переломанный момент Переломанный момент

«Дитя тьмы»: беременность как боди-хоррор

Weekend
Чудеса системы Сатурна: жизнь на Титане? Чудеса системы Сатурна: жизнь на Титане?

Почему на Титане можно представить только неземлеподобную жизнь?

Наука и техника
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
Новый взгляд на природу художественного мышления Новый взгляд на природу художественного мышления

Возможно ли, чтобы человек утратил интерес к загадке своего мышления?

Наука и жизнь
Можно ли быть счастливым, несмотря ни на что? Можно ли быть счастливым, несмотря ни на что?

От чего зависит наше счастье?

Здоровье
Если партнер манипулирует чувством вины: 3 шага противодействия Если партнер манипулирует чувством вины: 3 шага противодействия

Что делать, если вы постоянно испытываете чувство вины в паре?

Psychologies
«Восток поднимается, а Запад катится вниз»: самые яркие высказывания Си Цзиньпина о США, СССР, войне и мире «Восток поднимается, а Запад катится вниз»: самые яркие высказывания Си Цзиньпина о США, СССР, войне и мире

На примере цитат китайского лидера показываем его политическую позицию

Maxim
6 книг, чтобы начать разбираться в музыке 6 книг, чтобы начать разбираться в музыке

Книги, которые помогут взглянуть на музыкальный мир увлеченным взглядом

СНОБ
15 фактов о сериале «Уэнсдэй» 15 фактов о сериале «Уэнсдэй»

Чему Дженне Ортеге училась для роли и как снимали сцены с отрубленной рукой?

ЖАРА Magazine
Почему опасно смешивать алкоголь? Почему опасно смешивать алкоголь?

История со смешиванием выпивки предельно ясна: лучше этого не делать, но почему?

Maxim
Стал отцом в 82 года и живет с моделью Playboy: как дизайнер Роберто Кавалли проводит время на пенсии Стал отцом в 82 года и живет с моделью Playboy: как дизайнер Роберто Кавалли проводит время на пенсии

Итальянский модельер Роберто Кавалли явно не похож на обычного пенсионера

VOICE
Воображая интернет: как появились сетевые манифесты Воображая интернет: как появились сетевые манифесты

Манифесты ― ключевой формат дискуссий интернета

ТехИнсайдер
Ирония судьбы Ирония судьбы

Как чувство юмора определяет наше отношение с людьми и миром?

Лиза
Зачем клавиатуре подставка под запястья? Зачем клавиатуре подставка под запястья?

Разбираемся в том, зачем клавиатуре подставка под запястье

CHIP
Когда артерии в опасности Когда артерии в опасности

Сосудистый хирург рассказывает, что влияет на здоровье артерий

Здоровье
Как рак влияет на психику и чем может помочь психолог Как рак влияет на психику и чем может помочь психолог

Как известие о раке, лечение и реабилитация могут влиять на ментальное здоровье?

Psychologies
«Отказался бросить курить, а потом узнал, что уволен»: айтишники рассказали про самые быстрые увольнения «Отказался бросить курить, а потом узнал, что уволен»: айтишники рассказали про самые быстрые увольнения

Истории про рекордно короткие периоды работы в одной компании

VC.RU
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
Как мы мешаем сами себе Как мы мешаем сами себе

На дефицит личного пространства в последнее время не жалуется только ленивый

4x4 Club
Почему мы такие бедные? Часть 2. Основы финансовой грамотности Почему мы такие бедные? Часть 2. Основы финансовой грамотности

Как думаете, что нужно, чтобы жить обеспеченно?

Psychologies
Как Савва Мамонтов привил публике любовь к русской опере Как Савва Мамонтов привил публике любовь к русской опере

Как Савва Мамонтов открыл известных певцов и дирижеров

Культура.РФ
Товарищ майор: почему все обсуждают игру Atomic Heart Товарищ майор: почему все обсуждают игру Atomic Heart

Почему Atomic Heart так затягивает?

Правила жизни
История Эрже — бельгийского художника и создателя Тинтина История Эрже — бельгийского художника и создателя Тинтина

Комиксы о Тинтине принесли Эрже не только всемирную славу

Правила жизни
Открыть в приложении