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

Криптобудущее Криптобудущее

Жизненный цикл цивилизаций и наступающая эпоха свободы

Популярная механика
Причина 8% всех смертей может быть связана с плохим сном (и речь не только про его недостаток) Причина 8% всех смертей может быть связана с плохим сном (и речь не только про его недостаток)

Недостаток сна влияет на ваше здоровье сильнее, чем вы думали

Inc.
Выживут только инфорги Выживут только инфорги

«Инфорги» — люди, которые придут на смену Homo Sapiens

Популярная механика
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
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
Не работает клавиатура на компьютере или ноутбуке: что делать? Не работает клавиатура на компьютере или ноутбуке: что делать?

Почему клавиатура компьютера или ноутбука может перестать работать?

CHIP
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
Наталья Варлей: «Что меня держит на этой земле? Любовь» Наталья Варлей: «Что меня держит на этой земле? Любовь»

«Из этой девочки может получиться новая Любовь Орлова»

Коллекция. Караван историй
Секреты правильного использования кредитных карт Секреты правильного использования кредитных карт

Кредитки давно вошли обиход, вот только пользоваться ими умеют далеко не все

Наука и техника
Невозвращенец Невозвращенец

Один из первых политических эмигрантов Петровской эпохи — Авраам Веселовский

Дилетант
Маломощные реакторы спасут мирный атом Маломощные реакторы спасут мирный атом

Репутация – главная проблема атомной энергетики в XXI веке

Популярная механика
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
В погоне за опытом: как сегодня путешествуют по России В погоне за опытом: как сегодня путешествуют по России

Почему россияне предпочитают Камчатку, Алтай и Таймыр поездкам за границу?

Forbes
Non-fiction Non-fiction

Каждое появление Даниила Воробьёва на экране — яркая вспышка, провокация

OK!
Юрий Насонов Юрий Насонов

Как Юрий Насонов бронирует за собой титул «реального пацана»

Собака.ru
Если вас травили в детстве: раны прошлого и методы самопомощи Если вас травили в детстве: раны прошлого и методы самопомощи

Как буллинг в детстве может отразиться на взрослой жизни?

Psychologies
Психологи выяснили, кто больше всех ненавидит женщин Психологи выяснили, кто больше всех ненавидит женщин

Больше всех женщин ненавидят мужчины, которые живут без секса. Не удивлены?

Psychologies
Полный, но не только. Тест-драйв Omoda C5 AWD Полный, но не только. Тест-драйв Omoda C5 AWD

Компактный кроссовер С5 свежеиспеченной марки Omoda получил новую модификацию

РБК
Молния, ветер со скоростью 1600 км в час, кислотный дождь: самая экстремальная погода в Солнечной системе Молния, ветер со скоростью 1600 км в час, кислотный дождь: самая экстремальная погода в Солнечной системе

Земля — действительно райское место, если сравнивать ее с другими планетами

ТехИнсайдер
У тихоходок нашли еще одну суперспособность — их белок может сохранять лекарства без заморозки У тихоходок нашли еще одну суперспособность — их белок может сохранять лекарства без заморозки

У всеми любимого микроскопического существа нашлась еще одна сверхспособность

ТехИнсайдер
Все, везде и после Все, везде и после

Как «Рожденные в СССР» зафиксировали конец Холодной войны

Weekend
Чувствуете себя уставшим? Эти 4 продукта забирают вашу энергию! Чувствуете себя уставшим? Эти 4 продукта забирают вашу энергию!

Обратите внимание на эти 4 продукта — они могут быть виновниками вашей усталости

ТехИнсайдер
Музыка, грим, спецэффекты: за какие фильмы женщины впервые получали «Оскар» Музыка, грим, спецэффекты: за какие фильмы женщины впервые получали «Оскар»

Женщины, которые шаг за шагом отвоевывали свое место в киноиндустрии

Forbes
Надежда и сопричастность: 5 эмоций людей, на которые делают ставку политики Надежда и сопричастность: 5 эмоций людей, на которые делают ставку политики

Какие эмоции становятся мишенью охотников за голосами и народной любовью?

Psychologies
Кто построил высотные здания на недосягаемых горных склонах: удивительное исследование Кто построил высотные здания на недосягаемых горных склонах: удивительное исследование

Как люди смогли построить здания на горных склонах без современной техники?

ТехИнсайдер
Где лежит настоящее Где лежит настоящее

Светлана Адоньева о том, где живут традиции и почему не нужно их возрождать

Seasons of life
Менструальный отпуск: зачем он нужен и ждать ли его в России Менструальный отпуск: зачем он нужен и ждать ли его в России

Какие аргументы у инициативы и можно ли внедрить менструальные отпуска в России

СНОБ
Полые люди Полые люди

Многие известные статуи мира можно не только рассмотреть снаружи!

Вокруг света
Коллагеновая ампула. Как индустрия красоты разрушает экосистему лесов Амазонии Коллагеновая ампула. Как индустрия красоты разрушает экосистему лесов Амазонии

Как индустрия красоты влияет на экологию?

СНОБ
Ода радости Ода радости

Этот эффектный и уютный интерьер в стиле ар–деко создали для семейной пары

SALON-Interior
Открыть в приложении