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

Одомашнивание: новый цикл Одомашнивание: новый цикл

До конца нынешнего десятилетия произойдет очередная революция

Популярная механика
Мартовский кот: как выжить семье, когда у питомца страсть Мартовский кот: как выжить семье, когда у питомца страсть

Как быть хозяевам котов в это непростое время года?

Psychologies
Энергия под контролем Энергия под контролем

Водородная и альтернативная энергетика а также её защита

Наука
Интерьер Интерьер

Курс светотерапии в гостях у медиахудожников Евгении Годуновой и Юрия Пелина

Собака.ru
Пятнадцать лет на одно зернышко Пятнадцать лет на одно зернышко

Элитный картофель, конкурентоспособная свекла и зимостойкая пшеница

Наука
Сергей Урсуляк: «Когда искал актеров в «Ликвидацию», подумал: если я могу со своей женой жить, то и Гоцман пускай поживет» Сергей Урсуляк: «Когда искал актеров в «Ликвидацию», подумал: если я могу со своей женой жить, то и Гоцман пускай поживет»

Многие артисты обязаны очень хорошими ролями моим жене и детям

Коллекция. Караван историй
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
Просрочили кредит? Машина уедет от вас сама: Ford запатентовал новую технологию Просрочили кредит? Машина уедет от вас сама: Ford запатентовал новую технологию

Теперь авто само поедет к эвакуатору или на свалку, если вы просрочите платеж

ТехИнсайдер
Вселенная Майнкрафта Вселенная Майнкрафта

В кубическом мире строят, копают и выживают более 130 миллионов игроков

Вокруг света
Нейросети, доступные каждому: большой актуальный каталог Нейросети, доступные каждому: большой актуальный каталог

Составили для вас большой каталог нейросетей на все случаи жизни

CHIP
Пространство новых материалов Пространство новых материалов

Как один ученый придумал альтернативу таблице Менделеева

Популярная механика
Новые методы анализа «кудрявости» помогут правильно ухаживать за прической Новые методы анализа «кудрявости» помогут правильно ухаживать за прической

Кудрявые волосы очень красивы. Но как же с ними трудно!

ТехИнсайдер
Почему в мировых музеях мало работ женщин и как кураторы пытаются это изменить Почему в мировых музеях мало работ женщин и как кураторы пытаются это изменить

Как художественные институции пересматривают канон в пользу гендерного баланса

Forbes
5 идей для тревел-девичника на 8 марта 5 идей для тревел-девичника на 8 марта

Если ты хочешь встретить 8 марта в компании близких подруг, у нас есть маршруты

Лиза
Древнеегипетское сопротивление Древнеегипетское сопротивление

Что нового раскопали археологи о восстании египтян против власти Птолемеев

N+1
Как Хелен Миррен снималась в сериале «Главный подозреваемый» Как Хелен Миррен снималась в сериале «Главный подозреваемый»

Отрывок из книги Лилии Шитенбург «Хелен Миррен: Не называйте меня “мэм”»

СНОБ
10 фильмов с одним актером (ну почти) 10 фильмов с одним актером (ну почти)

Кинотеатр одного актера

Maxim
4 признака того, что вы плохо знакомы с собой 4 признака того, что вы плохо знакомы с собой

Как ни парадоксально, часто мы знаем самих себя лишь поверхностно

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

Какой сильной бывает любовь

Psychologies
Кокаин, героин, первитин: какие наркотики предпочитал Гитлер и на что он подсадил миллионы немцев в нацистской Германии? Кокаин, героин, первитин: какие наркотики предпочитал Гитлер и на что он подсадил миллионы немцев в нацистской Германии?

Фашистскую Германию по-праву можно называть страной наркоманов

ТехИнсайдер
Переключаемся на весну Переключаемся на весну

В начале весны многие из нас переживают ощущения Спящей красавицы

Лиза
Почему возраст теперь не принято отрицать и при чем здесь Голливуд Почему возраст теперь не принято отрицать и при чем здесь Голливуд

Как индустрии моды, красоты и мир кино меняют свое отношение к возрасту

РБК
Совет эксперта из Гарварда. Мужчинам для успешной карьеры не хватает одного навыка Совет эксперта из Гарварда. Мужчинам для успешной карьеры не хватает одного навыка

Способность, которую надо развивать всем, кто хочет продвинуться в карьере

ТехИнсайдер
Как пилот Амелия Эрхарт изменила авиацию, а потом загадочно исчезла во время полета Как пилот Амелия Эрхарт изменила авиацию, а потом загадочно исчезла во время полета

Амелия Эрхарт не боялась новых рекордов, даже если это было слишком рискованно

Forbes
Был беженцем, стал звездой: виражи судьбы Ке Хью Квана — первого актера вьетнамского происхождения с Был беженцем, стал звездой: виражи судьбы Ке Хью Квана — первого актера вьетнамского происхождения с

Биография вьетнамского актера Ке Хью Квана достойна экранизации

VOICE
Лучшая научно обоснованная диета для похудения Лучшая научно обоснованная диета для похудения

Как похудеть с умом?

ТехИнсайдер
Правила жизни Дженнифер Лоуренс Правила жизни Дженнифер Лоуренс

Правила жизни актрисы Дженнифер Лоуренс

Правила жизни
«Навеселе» «Навеселе»

Как люди хотели устроить пьянку, но построили цивилизацию

N+1
Беременная (опять) Рианна и Сальма в Беременная (опять) Рианна и Сальма в

Модный парад на "Оскаре-2023"

VOICE
Быть в фокусе Быть в фокусе

6 первых признаков снижения зрения

Лиза
Открыть в приложении