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

Предвестники жизни Предвестники жизни

На астероиде Рюгу найден компонент РНК

Наука
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
Секреты «Белого лебедя» Секреты «Белого лебедя»

В России возобновлено производство одного из мощнейших бомбардировщиков мира

Популярная механика
Какое авто выгоднее - гибрид или Какое авто выгоднее - гибрид или

Каким водителям выгодно выбрать гибридный привод?

ТехИнсайдер
Пятнадцать лет на одно зернышко Пятнадцать лет на одно зернышко

Элитный картофель, конкурентоспособная свекла и зимостойкая пшеница

Наука
Самые смешные снимки животных 2020 года: вспоминаем классику Самые смешные снимки животных 2020 года: вспоминаем классику

Самые смешные фото животных с конкурса Comedy Wildlife Photo Awards 2020 года

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
Гоша Гоша

Гоша Карцев выходит из треугольника печали и амплуа фэшн-суки

Собака.ru
Год без лета Год без лета

Извержение вулкана Тамбора в 1815 году стало самым мощным в истории человечества

Вокруг света
Вакантное место: как изменился российский рынок недвижимости Вакантное место: как изменился российский рынок недвижимости

Саян Цыренов рассказывает, как трансформируется российский рынок недвижимости

Forbes
По следам «Арматы» По следам «Арматы»

Мир бросился создавать новые танки

ТехИнсайдер
Почему мы так боимся клоунов: 8 частых причин Почему мы так боимся клоунов: 8 частых причин

Мы боимся клоунов не только из-за Пеннивайза и ему подобных

Psychologies
Лучшие игры про Супер Марио: топ представителей серии, в которые можно сыграть сегодня Лучшие игры про Супер Марио: топ представителей серии, в которые можно сыграть сегодня

Какие проекты Супер Марио можно запустить сегодня на актуальных платформах

CHIP
«Почему мы такие на работе»: отрывок из книги «Почему мы такие на работе»: отрывок из книги

Как условная типологизация людей может помочь улучшить атмосферу в коллективе

СНОБ
Пьем виски правильно: с колой, элем и вермутом Пьем виски правильно: с колой, элем и вермутом

Как выбрать колу для виски и как лучше пить этот напиток?

ТехИнсайдер
Они вернулись! Они вернулись!

В Дюссельдорф вернулось почти забытое ощущение яхтенного праздника

Y Magazine
Когда летние шины выгоднее всего покупать: секрет хитрых водителей Когда летние шины выгоднее всего покупать: секрет хитрых водителей

Хитрые водители разделяют покупку и установку шин

ТехИнсайдер
Плюсы и минусы самостоятельного ремонта ваших гаджетов Плюсы и минусы самостоятельного ремонта ваших гаджетов

Следует ли вам починить свой треснувший экран самостоятельно?

ТехИнсайдер
Чем опасна «волчья ягода»: можно ли от нее умереть? Чем опасна «волчья ягода»: можно ли от нее умереть?

Есть волчьи ягоды действительно небезопасно. Так чем же они опасны?

ТехИнсайдер
Любить нельзя стесняться Любить нельзя стесняться

Почему любовь к себе – большой ресурс в отношениях с другими?

Новый очаг
«Только, пожалуйста, останься со мной»: история любви, побеждающей страх «Только, пожалуйста, останься со мной»: история любви, побеждающей страх

Какой сильной бывает любовь

Psychologies
Не суперъяхтами едиными Не суперъяхтами едиными

Долой вредные стереотипы! Они мешают жить

Y Magazine
Не только Чикатило: три самых известных маньяка-детоубийцы СССР Не только Чикатило: три самых известных маньяка-детоубийцы СССР

Подобные истории в СССР старались замалчивать, но они все равно происходили

Maxim
«Ген. Очень личная история» «Ген. Очень личная история»

Как концепция гена изменила мир

N+1
Любители одиночества: 10 фактов о манулах, самых сердитых котах России Любители одиночества: 10 фактов о манулах, самых сердитых котах России

Топ-10 фактов о манулах

ТехИнсайдер
Вложись по минимуму Вложись по минимуму

Как стать инвестором, даже если в кармане всего 500 рублей

Лиза
От французских кос до каре на удлинение: 6 причесок, которые больше не в моде — мнение стилиста От французских кос до каре на удлинение: 6 причесок, которые больше не в моде — мнение стилиста

О каких укладках и стрижках стоит забыть до лучших времен?

VOICE
Американская пара купила за копейки дом 14 века в Италии. Посмотрите на результат после ремонта! Американская пара купила за копейки дом 14 века в Италии. Посмотрите на результат после ремонта!

Упорство заставит любое помещение зацвести новыми красками

ТехИнсайдер
Советский православный Ватикан Советский православный Ватикан

На заре Холодной войны в СССР пытались создать церковный «Варшавский договор»

Weekend
Наталья Архангельская: «Тамара Макарова наклонилась к Герасимову и сказала, указывая на меня: «Посмотри, твоя Дуняша пришла» Наталья Архангельская: «Тамара Макарова наклонилась к Герасимову и сказала, указывая на меня: «Посмотри, твоя Дуняша пришла»

«Наташа, ты артистка первого дубля, не тяни время, сразу выкладывайся по полной»

Коллекция. Караван историй
Открыть в приложении