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

Человек и его бактерии Человек и его бактерии

Отвечаем на главные вопросы о кишечной микрофлоре

Популярная механика
Как почистить стиральную машину: эти средства быстро удалят накипь и запах в барабане Как почистить стиральную машину: эти средства быстро удалят накипь и запах в барабане

Как без затруднений почистить стиральную машину в домашних условиях

ТехИнсайдер
От бумеров до альфа От бумеров до альфа

Теория поколений распространилась в виде мемов и героев. Кто из них вы?

Популярная механика
«Недослов». Как самая известная сурдопереводчица России открыла театр неслышащих актеров (и зарабатывает на нем, несмотря ни на что) «Недослов». Как самая известная сурдопереводчица России открыла театр неслышащих актеров (и зарабатывает на нем, несмотря ни на что)

Как театр неслышащий актеров научился зарабатывать деньги вопреки всему

Inc.
Королевство больших зеркал Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов

Наука
На нюансах На нюансах

Уникальность этого интерьера в гармоничном сочетании разных составляющих

SALON-Interior
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
Литература Литература

«Дыр бул щыл убеш щур», – до сих пор одно из самых глубоких русских высказываний

Правила жизни
Занимательная физика Занимательная физика

Мечта всех родителей – обучающие игрушки

Популярная механика
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
Все уровни беспилотности Все уровни беспилотности

Из пункта А в пункт Б выехал автомобиль — казалось бы, что может быть проще?

ТехИнсайдер
В гостях у панка В гостях у панка

«Король и Шут»: сказка вместо истории

Weekend
История неофициального советского искусства в лицах: 10 важных художников-нонконформистов, создававших новых визуальный язык История неофициального советского искусства в лицах: 10 важных художников-нонконформистов, создававших новых визуальный язык

Поговорили с Наталией Опалевой об эпохе оттепели и о знаковых произведениях

Правила жизни
Миф о беспробудном пьянстве: что и сколько на самом деле пили на Руси Миф о беспробудном пьянстве: что и сколько на самом деле пили на Руси

Откуда возник миф о вечно пьяных русских? Стоит ли в него верить?

VOICE
История Эрже — бельгийского художника и создателя Тинтина История Эрже — бельгийского художника и создателя Тинтина

Комиксы о Тинтине принесли Эрже не только всемирную славу

Правила жизни
В Британии домашних питомцев, вероятно, начнут генетически модифицировать В Британии домашних питомцев, вероятно, начнут генетически модифицировать

Новый закон позволит создавать кошек и собак с "экстремальными особенностями"

ТехИнсайдер
Когда так плохо, что хорошо: зачем мы остаемся в зависимых отношениях Когда так плохо, что хорошо: зачем мы остаемся в зависимых отношениях

Как определить зависимые отношения и перестать в них вступать

Psychologies
Самые интересные российские вина из шардоне Самые интересные российские вина из шардоне

Чем интересны российские вина из «шардоне» и на какие стоит обратить внимание

СНОБ
Турецкий сериал «Истерзанная»: почему он переживает вторую волну любви зрителей в России Турецкий сериал «Истерзанная»: почему он переживает вторую волну любви зрителей в России

Сюжет «Истерзанной» тронет даже самое черствое сердце

VOICE
Михаил Фоменко: австралийский тарзан из СССР, который 60 лет прожил в диких джунглях Михаил Фоменко: австралийский тарзан из СССР, который 60 лет прожил в диких джунглях

Михаил Фоменко — один из символов Австралии

ТехИнсайдер
День тэнкиста День тэнкиста

Первый автомобиль китайского бренда «Тэнк» – серьезный внедорожник

Автопилот
Как воспитать ребенка с безопасным типом привязанности: 7 главных шагов — попробуйте на практике Как воспитать ребенка с безопасным типом привязанности: 7 главных шагов — попробуйте на практике

Как воспитать уверенного в себе человека? Начать с привязанности к родителям

Psychologies
«Midjourney — революция, сравнимая с изобретением фотографии». Интервью с экспертом в области цифровых технологий Львом Мановичем «Midjourney — революция, сравнимая с изобретением фотографии». Интервью с экспертом в области цифровых технологий Львом Мановичем

Вытеснит ли искусственный интеллект художников, фотографов и дизайнеров?

Правила жизни
Властелин пива и кетчупа Властелин пива и кетчупа

Как сделал состояние самый богатый бразильский швейцарец

Деньги
Человек-лягушка: у кого-то в жилах течет голубая кровь, а в его - зеленая, и это не розыгрыш! Человек-лягушка: у кого-то в жилах течет голубая кровь, а в его - зеленая, и это не розыгрыш!

Если ваша кровь зеленая, то вы явно переборщили со шпинатом!

ТехИнсайдер
Центр единения Центр единения

Идея оформления этого интерьера началась с коллекции картин

Идеи Вашего Дома
Слепые лучше зрячих почувствовали удары собственного сердца Слепые лучше зрячих почувствовали удары собственного сердца

У слепых людей порог интерорецепции ниже, чем у зрячих

N+1
Ученые из Кембриджа: достаточно 11 минут в день, чтобы снизить риск ранней смерти Ученые из Кембриджа: достаточно 11 минут в день, чтобы снизить риск ранней смерти

Каждую десятую раннюю смерть можно было бы предотвратить

Inc.
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
Как грибы спасут человечество, когда погаснет Солнце: стратегии выживания на случай ядерной зимы Как грибы спасут человечество, когда погаснет Солнце: стратегии выживания на случай ядерной зимы

Стратегии, которые помогут человечеству выжить, если Солнце погаснет

ТехИнсайдер
Открыть в приложении