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

Ускользающие инопланетяне Ускользающие инопланетяне

Новая шкала инопланетных цивилизаций

Популярная механика
И такое возможно: а вы знали, что женщина может сразу забеременеть от двоих мужчин? И такое возможно: а вы знали, что женщина может сразу забеременеть от двоих мужчин?

Можно ли повторно забеременеть во время беременности?

ТехИнсайдер
Секреты «Белого лебедя» Секреты «Белого лебедя»

В России возобновлено производство одного из мощнейших бомбардировщиков мира

Популярная механика
Все и сразу. Что такое здоровый гедонизм Все и сразу. Что такое здоровый гедонизм

Вести здоровый образ жизни и при этом не держать себя в ежовых рукавицах?

Новый очаг
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
В центре Млечного Пути есть загадочный объект, не поддающийся стандартам астрономии В центре Млечного Пути есть загадочный объект, не поддающийся стандартам астрономии

Удивительный и экстремально эволюционирующий объект в центре Млечного Пути

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
10 самых больших акул в мире 10 самых больших акул в мире

Каких акул стоит опасаться больше всего?

ТехИнсайдер
106 минут новой эры 106 минут новой эры

Какое значение орбитальный рейс Юрия Гагарина имел для мировой науки

Наука и жизнь
Прострелы, или Сны наяву Прострелы, или Сны наяву

Весной в степях, по сухим лугам можно увидеть сказочно красивый цветок

Наука и жизнь
Созвездие рекламы Созвездие рекламы

Почему разработчики ионных двигателей занялись проектом космической рекламы

Популярная механика
Интервью с якутским режиссером Степаном Бурнашевым о его новом, остросоциальном фильме «Айта» Интервью с якутским режиссером Степаном Бурнашевым о его новом, остросоциальном фильме «Айта»

Якутский режиссер Степан Бурнашев — о проблеме шовинизма

СНОБ
«Слишком много шума» «Слишком много шума»

Лев Ландау выделялся глубоким пониманием всех разделов физической науки

Наука
Вечный выбор: автомат, вариатор, робот? Вечный выбор: автомат, вариатор, робот?

Преимущества и недостатки разных автоматических коробок передач

4x4 Club
Как планеты спасают воду от слишком активных звезд: неожиданное исследование Как планеты спасают воду от слишком активных звезд: неожиданное исследование

Планета может сохранить воду, даже если её омывали потоки солнечной радиации

ТехИнсайдер
Три города-курорта России, куда лето приходит раньше календаря Три города-курорта России, куда лето приходит раньше календаря

Заждались лета? Добро пожаловать в Крым и на Кубань

Караван историй
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
На изящном: зачем Яеи Кусама раздевалась сама и раздевала других в своих антивоенных перформансах На изящном: зачем Яеи Кусама раздевалась сама и раздевала других в своих антивоенных перформансах

Как художники 60-х и 70-х выражали свои взгляды через телесные практики

Правила жизни
Как предприниматель с Аляски стал крупнейшим поставщиком рыбы в Америке Как предприниматель с Аляски стал крупнейшим поставщиком рыбы в Америке

Почему Джо Бандрант не хочет продавать Trident Seafoods?

Forbes
Гоша Гоша

Гоша Карцев выходит из треугольника печали и амплуа фэшн-суки

Собака.ru
Да, сезон! Тест-драйв новой бюджетной линейки шин Cordiant Да, сезон! Тест-драйв новой бюджетной линейки шин Cordiant

Тестируем новые шины Crodiant Graviti

РБК
Почему люди моргают? Почему люди моргают?

Для чего человеческому организму нужен механизм моргания?

ТехИнсайдер
Семь составляющих здорового сна: простые и сложные вещи для быстрого засыпания и легкого пробуждения Семь составляющих здорового сна: простые и сложные вещи для быстрого засыпания и легкого пробуждения

Для крепкого сна и приятного пробуждения придется соблюсти немало условий

Караван историй
Новые альянсы: почему Саудовская Аравия решила помириться с Сирией Новые альянсы: почему Саудовская Аравия решила помириться с Сирией

Что стоит за потеплением в отношениях между Саудовской Аравией и Сирией

Forbes
Недостающая деталь пазла: как ChatGPT может улучшить экономику брокеров Недостающая деталь пазла: как ChatGPT может улучшить экономику брокеров

Как ChatGPT помогает создавать дешевый контент

Forbes
Большая игра: что смотреть с Джессикой Честейн Большая игра: что смотреть с Джессикой Честейн

Несколько лучших фильмов с Джессикой Честейн для просмотра на выходных

Правила жизни
Астрономы обнаружили в глубинах космоса галактику-одиночку — похоже, она поглотила всех своих сородичей Астрономы обнаружили в глубинах космоса галактику-одиночку — похоже, она поглотила всех своих сородичей

Галактика 3C 297 таинственным образом осталась в полном одиночестве

ТехИнсайдер
История Миры Мурати, которая работает в OpenAI и участвовала в создании ChatGPT История Миры Мурати, которая работает в OpenAI и участвовала в создании ChatGPT

Карьера Миры Мурати в мире высоких технологий

Forbes
Траты на спорт Траты на спорт

Во сколько обходятся россиянам тренировки

Деньги
Фрагмент из романа Жана-Клода Грюмбера «Жаклин Жаклин» Фрагмент из романа Жана-Клода Грюмбера «Жаклин Жаклин»

Французский драматург и сценарист Жан-Клод Грюмбер написал книгу-признание

СНОБ
Открыть в приложении