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
Четыре рассказа из шляпной коробки Четыре рассказа из шляпной коробки

«Рассказы из шляпной коробки»: сюжет каждого сложился внезапно

Правила жизни
Силой мысли, или что обещает нам Илон Маск Силой мысли, или что обещает нам Илон Маск

Чего же Маск хотел в сфере нейроинтерфейсов, что сделал и что сможет сделать

Популярная механика
Инъекция гормона FGF21 быстро отрезвила пьяных мышей Инъекция гормона FGF21 быстро отрезвила пьяных мышей

Как связаны гормоны FGF21 и норадренергические нейроны мозга?

N+1
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
Правда ли, что вейпы безобиднее сигарет Правда ли, что вейпы безобиднее сигарет

Насколько безопасны вейпы? Правда ли, что с их помощью можно бросить курить?

СНОБ
Пятнадцать лет на одно зернышко Пятнадцать лет на одно зернышко

Элитный картофель, конкурентоспособная свекла и зимостойкая пшеница

Наука
Голливудские бизнес-кейсы: как примеры из кино помогают в управлении командой Голливудские бизнес-кейсы: как примеры из кино помогают в управлении командой

Культовые картины также могут стать отличным руководством по управлению командой

Forbes
Городские корни Городские корни

По соседству с москвичами и гостями столицы проживают миллионы растений

ТехИнсайдер
Константин Куприянов: «Музей “Калифорния”» Константин Куприянов: «Музей “Калифорния”»

Отрывок из романа «Музей “Калифорния”», вышедшего в издательстве «Городец»

СНОБ
Перевал Перевал

С момента гибели туристов из группы Игоря Дятлова прошло больше полувека

Популярная механика
Бьюти-буллинг: кто заставляет женщин ненавидеть свою внешность Бьюти-буллинг: кто заставляет женщин ненавидеть свою внешность

В чем причины возникновения бьюти-буллинга?

Forbes
Николас Кейдж и братство Дракулы: самые жуткие и харизматичные исполнители роли главного вампира в кино Николас Кейдж и братство Дракулы: самые жуткие и харизматичные исполнители роли главного вампира в кино

Роль главного кровососа всех времен и народов — вспоминаем впечатляющих актеров

VOICE
«У людей синдром выученной беспомощности»: кто и как развивает малые территории «У людей синдром выученной беспомощности»: кто и как развивает малые территории

Марина Михайлова рассказала, как развиваются малые территории

Forbes
Ученые засняли уникальные кадры ударов молний по высотным зданиям Ученые засняли уникальные кадры ударов молний по высотным зданиям

Как выглядит молния во время её удара?

ТехИнсайдер
Не только «против мужчин»: зачем нужна женская дружба Не только «против мужчин»: зачем нужна женская дружба

Зачем женщины нужны друг другу

VOICE
Городские подростки перестали быть выше сельских Городские подростки перестали быть выше сельских

Почему рост городских и сельских детей перестал различаться?

N+1
Угол презрения Угол презрения

Русские футуристы пытались освистать Маринетти так, чтобы ему это не польстило

Правила жизни
Чечевица Чечевица

Блюда из чечевицы заново обретают популярность, а мы разбираемся в их пользе

Здоровье
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
Целительный лайк. Как приложения для знакомств помогают пережить расставания Целительный лайк. Как приложения для знакомств помогают пережить расставания

Зачем регистрироваться в приложениях для дейтинга сразу после расставания?

СНОБ
Все как в тумане. Почему мутнеет хрусталик и как спасти зрение Все как в тумане. Почему мутнеет хрусталик и как спасти зрение

Катаракта – одно из распространеннейших заболеваний глаз с риском потери зрения

Лиза
Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной

Какое место во Вселенной с точки зрения богословия отведено инопланетянам?

Наука и жизнь
Передачи-хиты советского ТВ, которые сегодня смотреть невозможно Передачи-хиты советского ТВ, которые сегодня смотреть невозможно

Деды, вспоминающие любимые программы молодости, хорошего не посоветуют

Maxim
Как выбрать летние покрышки: базовые правила Как выбрать летние покрышки: базовые правила

Рассказываем, как надо выбирать летние шины в 2023 году

РБК
Мы идем по Африке: как бывший врач стал организатором охотничьих сафари в ЮАР Мы идем по Африке: как бывший врач стал организатором охотничьих сафари в ЮАР

Бывший врач Георгий Рагозин строит бизнес исходя из своих увлечений

Forbes
Почему дергается глаз: рефлекс, о причинах которого мы не догадываемся Почему дергается глаз: рефлекс, о причинах которого мы не догадываемся

Что вызывает глазной тик и когда пора обратиться к врачу?

ТехИнсайдер
Почему мы такие бедные? Часть 1. Как семейная история влияет на финансы Почему мы такие бедные? Часть 1. Как семейная история влияет на финансы

Почему наличие ума и интеллекта не гарантирует богатства?

Psychologies
Ребенок блогера-сыроеда Максима Лютого умер от истощения. Почему люди «экспериментируют» на детях? Ребенок блогера-сыроеда Максима Лютого умер от истощения. Почему люди «экспериментируют» на детях?

Почему родители навязывают детям свой взгляд на питание?

Psychologies
Скрытые послания: как видят первые свидания мужчины и женщины — мнение психологов Скрытые послания: как видят первые свидания мужчины и женщины — мнение психологов

Почему мужчины и женщины по-разному видят сценарий первого свидания?

Psychologies
Открыть в приложении