Отличной посадки на Титан, «Стрекоза»!

Внедрение в инопланетный мир всегда захватывающе. Особенно в самый необычный мир — и с принципиально новым способом приземления.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

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.

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?

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

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.

Атмосфера Венеры, напротив, очень плотная и горячая. Плотность у поверхности превосходит земную в 55 раз, температура достигает 470°С. Впечатляет и толщина: земные параметры для нулевой высоты в атмосфере Венеры лежат на высоте около 50 км. Поэтому вертикальный участок снижения начинается на высоте многих десятков километров, а снижение идет медленнее. Посадочные парашюты для столь плотной атмосферы (6,7% от плотности воды) использовались очень небольшой площади, в 2–3 кв. м. Торможение вызывалось и аэродинамическим диском, широким конструкционным выступом по «экватору» аппарата. В итоге спуск через мощную атмосферу Венеры занимал больше часа.

Дальше в посадочной схеме идет приземление на поверхность. Оно выполняется самыми разными схемами — от посадки на двигатель и амортизатор до силовых рам с упругими надувными шарами и небесных кранов, совсем специализированных посадочных устройств со своими ракетными двигателями, напоминающими козловый кран с четырьмя «ногами». И все это многообразие работает на Марсе. На Венере приземление чисто парашютное, но в ходе посадки в атмосферу выпускались аэростаты. Приземление на Титан тоже прошло по-парашютному.

Удивительный мир Титана

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Крупнейший спутник Сатурна Титан похож на небольшую планету раза в полтора крупнее Луны. Из всех спутников планет в Солнечной системе только на нем есть моря и озера. И лежит плотная атмосфера, в разы или на порядок помощнее земной и по толщине, и по массе. Это роднит Титан и Землю — только два небесных тела в Солнечной системе, на которых есть жидкая поверхность водоемов и толстая азотная атмосфера. На Титане на уровне моря (а моря Титана имеют общую эквипотенциальную поверхность, сообщаясь между собой, как на Земле) давление воздуха — примерно полторы земных атмосферы, плотность больше в четыре раза.

Криогенный холод сжижает содержащиеся в воздухе 4% метана и создает оборот жидкости: испарение, облака, дожди, погоду, реки, озера, моря. Вместе с жидким метаном в морях и реках текут жидкие пропан, этан, бутан, бутил, ацетилен и другие жидкости, вплоть до жидкого азота и аргона. Ручьи шумят в скалах из водяного льда, основной геологической породы Титана. Все вместе образует рельеф богатой работы жидкого флюида: долины и овраги, размывы и отложения, косы, русла, изрезанные побережья под всегда пасмурным оранжевым криогенным небом. Дожди означают, что на Титане можно видеть радугу, как и на Земле; но из-за местных деталей в инфракрасном диапазоне — инфракрасную радугу.

Этот удивительный мир, вместивший еще кучу особенностей, посетил прямым контактом посадки и пребывания там 14 января 2005 года зонд «Гюйгенс» (Huygens). Его назвали в честь открывателя Титана, голландского ученого XVII века Христиана Гюйгенса — наконец Гюйгенс рассмотрел свое открытие вплотную. Зонд разработало и сделало Европейское космическое агентство. Похожий на головку сыра массой в три центнера корпус был наполнен аппаратурой и системами, в том числе посадочными. До Титана «Гюйгенс» долетел на спине межпланетной станции НАСА «Кассини», летевшей к Сатурну. За три недели до посадки зонд спрыгнул со станции, подошел к орбите Титана, пересекая ее сбоку, и вошел в верхние слои атмосферы. Так началась самая дальняя посадка в Солнечной системе.

Посадка «Гюйгенса»

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Процесс посадки контролировался системой управления полетом, работавшей автономно. В максимальном сближении между Землей и Сатурном 1,2 млрд км, радиосигнал летит 66 минут 40 секунд. Это долго и далеко; у «Гюйгенса» к тому же не было источника энергии для столь дальней передачи. Поэтому данные уходили к Земле через летевшую в прямой видимости «Кассини», с ретрансляцией усиленного сигнала на Землю.

Баллистический вход и газодинамическое торможение корпусом теплозащитного экрана начались на высоте около 500 км, на теплозащите зонда стал возникать плазменный слой. На 400 км он уже ярко горел — у Земли здесь летает МКС с экипажем. В облаке плазмы «Гюйгенс» шел две минуты, постепенно гася свою скорость. На высоте 180 км (высота низких опорных орбит на Земле) и сверхзвуковой скорости около 400 м/с (значение числа Маха около 1,8) был выпущен парашют диаметром 2,6 м. Он работал лишь 2,5 секунды и снял заднюю теплозащитную крышку, вытащив тормозной сверхзвуковой парашют диаметром 8,3 м., который затормозил аппарат до дозвука и работал 15 минут. На высоте 160 км отвалился нижний, основной теплозащитный экран.

Вертикальный участок пошел примерно со 140 км. Рост плотности при снижении слишком замедлил бы зонд с риском заморозки до посадки. Поэтому после сброса тормозного парашюта на 125 км и скорости 100 м/с вышел третий парашют поменьше, посадочный, диаметром 3 м. На 60 км «Гюйгенс» измерил высоту двумя радиолокационными высотомерами и начал передачу данных на «Кассини».

С высоты 50–40 км туманный слой облаков начал проясняться, фотоснимки стали более содержательными. За четыре минуты до приземления, на высоте 700 м, зажегся посадочный прожектор, чтобы подсветить точку посадки для снимков и определить состав поверхности. В нее аппарат ткнулся со скоростью около 5 м/с — скоростью десантника на Земле. И передал снимки каменистой поверхности вокруг себя.

Всё парашютное снижение с высоты 180 км заняло 2 часа 27 минут 50 секунд — огромная разница с Марсом! Все это время «Гюйгенс» измерял параметры атмосферы. Так были получены профили параметров атмосферы Титана по высоте. Еще аппарат передавал со снижения снимки местности и телеметрию работы своих систем, а после посадки еще 72 минуты работал на поверхности Титана. Он оставался в порядке, когда «Кассини» ушла за горизонт, ее радиовидимость закончилась, и устойчивый прием информации завершился.

«Стрекоза»

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Данные от «Гюйгенса» были бесценными, в том числе прямые измерения атмосферы по высоте и на поверхности. Зная среду, можно спроектировать экспедицию принципиально нового типа, мобильную, способную летать с точки на точку в вертолетном режиме. Тем более что после снимков «Гюйгенса» интерес к Титану вырос еще больше. А на Марсе уже вовсю летает марсианский вертолет «Индженьюити», пример эффективности подхода. Так родилась «Стрекоза» («Dragonfly») — небывалый проект ядерного квадрокоптера для Титана. Он займется главной интригой — поиском жизни, ее признаков и компонент.

Побольше «Гюйгенса», массой с полтонны, «Стрекоза» будет иметь четыре двойных винта метрового диаметра. А еще посадочные лыжи, два бура, прожектор и массу научной аппаратуры. Квадрокоптер сможет летать часами подряд, пролетать десятки километров, разгоняться до 36 км/ч, подниматься до 4 км. В плотной атмосфере Титана и при малой силе тяжести (на поверхности в семь раз меньше земной) усилие на винтах нужно небольшое, расход энергии почти в сорок раз меньше, чем для полета на Земле. Но надо много тепла для обогрева в криогенных условиях. Такое соотношение даст радиоизотопный термоэлектрический генератор, ядерное сердце «Стрекозы».

Параметры аппарата и его полетов продолжают просчитываться, запуск планируется летом 2027 года, посадка на Титан в 2034 году и работа в течение нескольких лет. Еще не выбрана ракета для запуска «Стрекозы». Разрабатывает аппарат и его динамику полетов Лаборатория прикладной физики знаменитого университета Джонса Хопкинса вместе с аэрокосмическим гигантом «Локхид Мартин».

Планируется и новая схема посадки. Впервые с переходом снижения на вертолетный режим, и уже на этом авиационном режиме будет посадка на поверхность. Как стрекоза садится на лист камыша, зависая с помощью вертолетной работы крыльев, так «Стрекоза» опустится на поверхность, держа себя вращением винтов.

Особенности посадки «Стрекозы»

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Вход в атмосферу планируется типовым для планет с атмосферой и повторяющим успешный вход «Гюйгенса». Баллистическое начало спуска с гиперзвуковым обтеканием, обгоранием теплозащитного экрана и рабочими перегрузками торможения.

Однако теплозащита может работать в оба направления — как защита и от внешнего нагрева, и от внешнего замораживания. Тепловой экран «Стрекозы» сыграет последовательно обе роли. Парашютный участок спуска составит 1 час 45 минут, побыстрее «Гюйгенса», чтобы меньше морозиться до посадки. Поэтому после раскрытия сверхзвукового парашюта на высоте 135 км и скорости 440 м/с теплозащитный экран не отбросится, а укроет днище «Стрекозы» подогретым ранее одеялом до выпуска посадочного парашюта. Для него теплозащита станет слишком тяжелой и будет сброшена через минуту после раскрытия посадочного купола на высоте 4 км и скорости 7 м/с.

В конце парашютного снижения квадрокоптер развернется в рабочую конфигурацию, выдвинув в стороны четыре консоли с винтами. Набегающий поток раскрутит лопасти, дополнительно стабилизируя аппарат. Вращение роторных систем также немного разогреет их перед активной работой. На высоте 1,2 км парашют вместе с задней аэродинамической крышкой отделится, освобождая аппарат для самостоятельного полета. Короткий финишный отрезок до поверхности «Стрекоза» пройдет с работающими винтами. И не просто снизится, а полетит в выбранную неподалеку оптимальную точку для приземления. И это будет первое приземление на другую планету на винтах. Конкретные решения, высоты, отрезки времени продолжают выбираться и уточняться. Кроме одного важного момента, уточнить и выбрать который не получится.

Погода в летнее время года

Схема посадки осложняется еще одним фактором: погода. В столь мощной атмосфере, и с круговоротом через нее жидкости, погода может иметь разные явления и влиять серьезнее, чем на Земле или на Марсе. И хотя климат Титана изучен достаточно подробно, важны локальные погодные условия в месте и моменте посадки. Летний сезон, вероятно, мягче зимнего, и «Стрекоза» будет садиться на полушарие с текущим летом.

Но и летние метеоусловия могут преподнести сюрпризы. Какие на пути аппарата окажутся облака, например, насколько мощные и из чего состоящие. Что и сколько из этих облаков налипнет на корпус и увеличит его массу, а значит, и скорость снижения. Создаст ли это механическую помеху в виде обледенения, закрывающего оптику и измерительные каналы и сковывающего механику.

Ведь облака могут быть не только метановыми. Фиксировались облака из микрочастиц размером в первые микроны (до 10 микрон), находящиеся на высоте 40 км. Вероятнее всего, это замерзший этан. Этановый снег может дополняться и метановым. Температура воздуха у поверхности Титана составляет -180°C. Этот холод всего в паре градусов от тройной точки метана (сочетание давления и температуры на фазовой диаграмме «пар—жидкость—лед»), при которой метан может существовать во всех трех состояниях, включая твердое. Аналогично этому на Земле тройная точка воды приходится на почти ноль по Цельсию, создавая многообразие земных форм осадков. По данным «Гюйгенса», относительная влажность метана достигает 100% на высоте 8 км. В диапазоне 8–16 км находится разреженный слой облаков из смеси жидкого метана с жидким азотом, из которых постоянно сеется вниз слабая изморось. Выше 16 км, отделяясь промежутком, лежат разреженные облака из кристалликов метанового льда. Так что метановый снег на Титане и оледенение конструкции вполне возможны, с учетом вариаций погоды.

Вероятно, «Стрекоза» значительно прояснит эти детали. Она может перелететь на площадку за прошедшей колонной дождя или снегопада. Возможно, и пропустить над собой край тучи с осадками. Тут могут быть богатые прямые измерения большого многообразия осадков. Но все это после успешной посадки; для нее просто выпадет жребий локальной погоды над точкой посадки.

К сожалению, оценить или предсказать текущую погоду на Титане в районе посадки не получится — рядом нет космических аппаратов, подобно, например, орбитальной флотилии вокруг Марса. И отложить посадку до улучшения метеоусловий, как на Земле, не получится, «Стрекоза» будет садиться сходу. Поэтому погодный элемент условий посадки остается точно не предсказуем.

Вместо эпилога

Еще одно условие посадки баллистическое: прямая видимость с Земли. Поскольку орбитальных ретрансляторов рядом нет, «Стрекоза» должна поддерживать при снижении прямую связь с Землей, передавая бортовую телеметрию и сделанные снимки. Разумеется, кроме участка плазмообразования. Телеметрия позволит наблюдать работу устройств и агрегатов, а также условия на борту и рядом с ним. Поэтому любая последовательность событий будет отслежена, измерена и сообщена на Землю. Это поможет понять причины в случае негативного развития ситуации или дать уверенность, что все идет по запланированному сценарию. Вплоть до сообщения об успешной посадке «Стрекозы».

Аварийные ситуации развиваются по своим закономерностям. Обычно это несколько причин, объединившихся в одну цепь событий с усилением. Их действие не мгновенное, а постепенное; оно может нарастать с разной скоростью и проявлением. Наблюдает за происходящим на борту радиотелеметрия. Она передает данные от устройств и датчиков на Землю. В них не может не отразиться развитие аварийной ситуации. В некотором смысле это аналог авиационной (самолетной) САРПП — системы автоматической регистрации параметров полета, которая многоканально пишет на чёрные ящики, на самом деле ярко-оранжевого цвета, кучу бортовых параметров. САРПП пишет, а на посадке «Стрекозы» данные надо передавать сразу, пока цела. При аварии все данные, не переданные с борта, будут утеряны.

Посадка посадке рознь, но каждой нужен успех. Посадка первого советского высотного сверхзвукового истребителя-перехватчика Су-9 была очень сложной из-за высокой посадочной скорости. Этот самолет с треугольным крылом имел низкое аэродинамическое качество на дозвуке и заходил на посадочную полосу со скоростью 280 км/ч — сегодня это взлетные скорости. Если издали промахнулся, вблизи полосы уже не исправишь, сильно сместит вбок высокой скоростью. На трудной посадке пилоту нужно было предельно сконцентрироваться. Чтобы добиться безукоризненной посадки, один летчик, которого хорошо знал автор, за пару километров до полосы говорил себе мысленно: «А теперь — отличная посадка!» И выполнял посадку максимально сосредоточенно и правильно на многотонном самолете и большой скорости.

Хочется пожелать «Стрекозе» воплощения в металле и успешного запуска. А потом благополучного прибытия к Сатурну и расчетного захода в воздух Титана. Хороших метеоусловий на маршрутах и продуктивной истории полетов, которые получится выполнить на Титане. А перед этим, конечно же, отличной посадки.

Николай Цыгикало