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
Трогательная история о слепом мальчике Леве, который поставил на уши мир математики Трогательная история о слепом мальчике Леве, который поставил на уши мир математики

Как Лев Понтрягин стал известным математиком, несмотря на то, что лишился зрения

ТехИнсайдер
Одомашнивание: новый цикл Одомашнивание: новый цикл

До конца нынешнего десятилетия произойдет очередная революция

Популярная механика
Космос близко Космос близко

Как попасть на Байконур и увидеть запуск ракеты в космос

Отдых в России
Пятнадцать лет на одно зернышко Пятнадцать лет на одно зернышко

Элитный картофель, конкурентоспособная свекла и зимостойкая пшеница

Наука
Как Рокки Бальбоа повлиял на мир спорта Как Рокки Бальбоа повлиял на мир спорта

«Рокки был супергероем без суперсил, но объединял всех»

Maxim
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
Эгоактивизм Эгоактивизм

«Свобода в квадрате»: научдок об освоении космоса

Weekend
Продолжаем следить за лунной гонкой Продолжаем следить за лунной гонкой

После полувековой паузы лунная гонка вновь набирает силу

Наука и техника
Какое растительное молоко лучше не покупать: эксперт раскрыла особенности состава популярного постного напитка Какое растительное молоко лучше не покупать: эксперт раскрыла особенности состава популярного постного напитка

На что обратить внимание, выбирая растительное молоко?

VOICE
До самых до окраин До самых до окраин

Для снабжения труднодоступных территорий пригодятся дроны

ТехИнсайдер
Как рак влияет на психику и чем может помочь психолог Как рак влияет на психику и чем может помочь психолог

Как известие о раке, лечение и реабилитация могут влиять на ментальное здоровье?

Psychologies
«Партнер — зеркало, которое показывает темное внутри нас»: как отношения помогают личностному росту «Партнер — зеркало, которое показывает темное внутри нас»: как отношения помогают личностному росту

В отношениях кроется огромный потенциал для личностного роста

Psychologies
Искусство сна: сновидения, бессонница и парасомнии — узнайте все об этом состоянии Искусство сна: сновидения, бессонница и парасомнии — узнайте все об этом состоянии

Зачем нужны сны и как побороть бессонницу?

Psychologies
Как человеку работать рядом с роботом? Учимся внедрять ИИ в производственный процесс Как человеку работать рядом с роботом? Учимся внедрять ИИ в производственный процесс

Стоит ли опасаться того, что роботы окончательно заменят человеческий труд?

ТехИнсайдер
Взрослый «малыш» Взрослый «малыш»

Минувший год выдался для верфи Numarine Yachts и успешным, и знаменательным

Y Magazine
Как правильно хранить зимние вещи Как правильно хранить зимние вещи

Несколько лайфхаков, чтобы обезопасить теплую одежду от моли, плесени и грибка

Maxim
Режиссер и продюсер Бауддхаян Мукхерджи: Мы в неоплатном долгу перед русскими мастерами Режиссер и продюсер Бауддхаян Мукхерджи: Мы в неоплатном долгу перед русскими мастерами

Бауддхаян Мукхерджи — о том, что общего между российским и индийским кино

СНОБ
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
Таиланд. Превращение в Эдем Таиланд. Превращение в Эдем

Как в Таиланде обстоит дело с яхтингом, мы решили узнать поподробнее

Y Magazine
Снова вместе Снова вместе

Бренды класса люкс давно и умело используют сотрудничество с художниками

Robb Report

Для некоторых планет столкновение со спутником может быть обыденным явлением

ТехИнсайдер
Как говорить, чтобы партнер понял? 5 советов из психологической практики Как говорить, чтобы партнер понял? 5 советов из психологической практики

Как вести диалог с любимым человеком, чтобы избежать недопонимания и конфликтов?

Psychologies
Деньги назад Деньги назад

Кто, как и сколько может сэкономить на налоговых вычетах

Деньги
Болливуд вместо Голливуда Болливуд вместо Голливуда

Краткая история советско-российско-индийской кинодружбы

Weekend
Хелена Побяржина: «Валсарб» Хелена Побяржина: «Валсарб»

Необычный роман о личной и исторической памяти

СНОБ
Персона Персона

О кризис-менеджменте, конкурентной борьбе и западных бизнес-стратегиях

Robb Report
Чем опасны искусственные подсластители: 6 страшных последствий для здоровья Чем опасны искусственные подсластители: 6 страшных последствий для здоровья

Думаете, если заменить обычную колу на диетическую, вы сможете похудеть?

ТехИнсайдер
Гриф «секретно» снят: сколько Юрий Гагарин заработал за свой первый полет? Гриф «секретно» снят: сколько Юрий Гагарин заработал за свой первый полет?

Материальные вознаграждения Юрия Гагарина за его полет никогда не афишировали

ТехИнсайдер
«Тайна одной саламандры»: 5 причин прочитать книгу Дмитрия Миропольского о приключениях и научных открытиях «Тайна одной саламандры»: 5 причин прочитать книгу Дмитрия Миропольского о приключениях и научных открытиях

«Тайна одной саламандры» погрузит вас в водоворот приключений и научных открытий

ТехИнсайдер
Открыть в приложении