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

еуые

Рекомендуемые статьи

Мамонт: воскрешение Мамонт: воскрешение

Воссоздать мамонта и отправить его заселять Якутию

Популярная механика
Гитлер. Поход во власть Гитлер. Поход во власть

Человек, создавший Третий рейх, был, несомненно, злым гением

Дилетант
Одомашнивание: новый цикл Одомашнивание: новый цикл

До конца нынешнего десятилетия произойдет очередная революция

Популярная механика
«Потанцуйте со мной»: каким получился байопик о Уитни Хьюстон «Потанцуйте со мной»: каким получился байопик о Уитни Хьюстон

Почему кино Кейси Леммонс теряется на фоне музыкальных байопиков последних лет

Forbes
Пятнадцать лет на одно зернышко Пятнадцать лет на одно зернышко

Элитный картофель, конкурентоспособная свекла и зимостойкая пшеница

Наука
«Некрасивых женщин не бывает…»: как связаны алкоголь и сексуализированные преступления «Некрасивых женщин не бывает…»: как связаны алкоголь и сексуализированные преступления

Почему большинство преступлений совершается именно под действием алкоголя?

Psychologies
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
12 шпионов из сериалов 12 шпионов из сериалов

Дюжина самых необычных шпионов на ТВ

Weekend
Женское имя в науке – Софья Ковалевская Женское имя в науке – Софья Ковалевская

Как удалось хрупкой на вид Софье Ковалевской стать знаменитым ученым?

Знание – сила

Для некоторых планет столкновение со спутником может быть обыденным явлением

ТехИнсайдер
20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели 20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели

Объекты и явления, при помощи которых твой секс будет еще великолепнее

Maxim
Прямо в сердце: как шутер-блокбастер про роботов в СССР Atomic Heart покоряет мир Прямо в сердце: как шутер-блокбастер про роботов в СССР Atomic Heart покоряет мир

Почему Atomic Heart — это веха в истории российского геймдева

Forbes
Сопротивление, сожаление и принятие: как выражается наша потребность в свободе Сопротивление, сожаление и принятие: как выражается наша потребность в свободе

Отрывок из книги «Больше чем желание» о стремлении к свободе и его проявлениях

Forbes
Создан российский логический элемент, основанный на спиновых волнах Создан российский логический элемент, основанный на спиновых волнах

Физики создали логический элемент, основанный на взаимодействии спиновых волн

ТехИнсайдер
Спорт в любую погоду: как беговая дорожка может улучшить результаты бега Спорт в любую погоду: как беговая дорожка может улучшить результаты бега

Как беговая дорожка помогает выжать максимум пользы из беговых тренировок

ТехИнсайдер

Необычная история неуловимой и нераскаявшейся преступницы

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

Каких акул стоит опасаться больше всего?

ТехИнсайдер
Как общаться с пассивными и пассивно-агрессивными людьми: 3 инструмента Как общаться с пассивными и пассивно-агрессивными людьми: 3 инструмента

Как справиться с пассивным или пассивно-агрессивным поведением?

Psychologies
Один в чужом доме: видеопритча о взрослении на стихи Константина Бальмонта — премьера клипа Race to Space на «Снобе» Один в чужом доме: видеопритча о взрослении на стихи Константина Бальмонта — премьера клипа Race to Space на «Снобе»

Клип «Будем как Солнце» московских синти-романтиков Race to Space

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

Какой сильной бывает любовь

Psychologies
Шоу имени Гитлера Шоу имени Гитлера

Олимпиада 1936 года — грандиозный идеологический успех нацистской Германии

Дилетант
Позвольте Ремарку. Почему новая экранизация «На Западном фронте без перемен» войдет в историю, даже если не выиграет «Оскар» Позвольте Ремарку. Почему новая экранизация «На Западном фронте без перемен» войдет в историю, даже если не выиграет «Оскар»

«На Западном фронте без перемен» — самая страшная экранизация романа Ремарка

Правила жизни
Позитивные аффирмации: обман или очень полезное упражнение? Позитивные аффирмации: обман или очень полезное упражнение?

Верите ли вы, что наши мысли формируют наше окружение и восприятие реальности?

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

Кинотеатр одного актера

Maxim
Что такое Cadillac Lyriq? Краткий обзор Что такое Cadillac Lyriq? Краткий обзор

Невероятный электромобиль Cadillac Lyriq

4x4 Club
ChatGPT хитро копирует своих пользователей, чтобы казаться умным ChatGPT хитро копирует своих пользователей, чтобы казаться умным

ChatGPT может использовать психологические приемы, чтобы казаться умнее

ТехИнсайдер
Почему человечество так боится новых технологий? Почему человечество так боится новых технологий?

Краткий экскурс в историю развития человечества и его технологических страхов

Правила жизни
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
Четвертое измерение: что умеет новая языковая модель от OpenAI GPT-4 Четвертое измерение: что умеет новая языковая модель от OpenAI GPT-4

Чем хороша новая версия популярного бота от OpenAI GPT-4

Forbes
Почему дизельное топливо зовется Почему дизельное топливо зовется

Дизельное топливо и солярка — это не синонимы

ТехИнсайдер
Открыть в приложении