4.5. Schiaparelli: посадка на Марс для начинающих

Спускаемый зонд Европейского космического агентства Schiaparelli был потерян 19 октября 2016 года в результате программной ошибки системы управления радара-высотомера.

Schiaparelli

Зонд должен был научить Европейское космической агентство садиться на Марс… но не научил. И эта авария стала далеко не первой в попытках землян достичь поверхности «Красной планеты».

Сейчас на Марсе действуют два космических аппарата: марсоходы Opportunity и Curiosity. В предыдущие годы успешно потрудились еще два марсохода и четыре посадочные станции. Восемь аппаратов сели неудачно, разбившись о поверхность Красной планеты, или частично неудачно, проработав около минуты. Одна посадочная станция пролетела мимо Марса. То есть, счет между землянами и «ПВО марсиан» почти равный, но все же земляне пока проигрывают. Все полностью успешные посадочные миссии на Марсе оказались американскими.

С 1970-х годов инженерам NASA везло – почти все посадки на «Красную планету» удавались им с первой попытки, за одним редким исключением.

В 1971 году Марса достигло первое изделие человеческих рук: советский марсоход «Марс-2». Из-за ошибки определения угла входа в атмосферу скорость посадки была такой, что изделие разбилось о поверхность планеты и не смогло принести никакой научной пользы.

Брат-близнец «Марс-3» оказался более успешен – он благополучно спустился и сел, успел даже приступить к работе, но вышел из строя примерно через минуту. Пара этих аппаратов СССР должна была отработать технологию посадки на Марс, изучить свойства грунта: плотность, структуру, химический состав. Это исследование рассматривалось как предварение более сложных программ: отправки мощного марсохода, а затем и пилотируемой высадки.

Частично с задачей удалось справиться: «Марс-3» показал, что садиться можно, и что Марс столь же твердый, как и Луна. Аппарат заложил практически классическую схему спуска, которая во многом повторялась вплоть до Curiosity, хотя в деталях были и отличия.

Как и большинство посадочных марсианских модулей, «Марс-3» входил в атмосферу планеты без предварительного торможения на перелетной скорости 5,8 километров в секунду. Первый удар атмосферы принимал на себя тормозной конус, который NASA называет Heat Shield, «Тепловой Щит». Название неслучайно, поскольку даже разреженная атмосфера Марса на такой скорости нагревает его до температуры свыше 1500 градусов Цельсия.

Форма теплового щита рассчитана так, что трение атмосферы незначительно, а нагрев происходит из-за ударной волны, которую формирует перед собой щит. Сильно сжатый газ нагревается и передает температуру поверхности щита. Материал поверхности щита начинает испаряться и тем самым охлаждать более глубокие слои.

Космический аппарат ненадолго окутывает облако плазмы. Через плазму не проходят радиоволны, поэтому на самом жарком этапе спуска поддерживать связь с аппаратом невозможно. Но из-за расстояния между нашими планетами и задержки времени поступления сигнала на 7–10 минут, управлять посадкой с Земли все равно не получилось бы.

Тормозные конусы имелись у всех аппаратов, пытавшихся сесть на Марс. Но у всех, кроме советских «Марсов», щиты составляли часть полной теплозащитной капсулы, в которой прятались марсоход или модуль. На наших же аппаратах щит и «скорлупа» крепились отдельно.

Когда гиперзвуковая скорость падает до сверхзвуковой, щит перестает быть эффективным. Сразу от него не избавляются, но начинается этап парашютного торможения: сначала выпускается тонкий вытяжной, а за ним уже и основной парашют. Атмосферный поток еще высок – скорость составляет около 1500 километров в час, поэтому парашют называют сверхзвуковым. Чтобы поток не порвал резко раскрывшийся купол, используют технологию разрифовки: стропы заплетают таким образом, чтобы раскрытие было постепенным.

Чем шире раскрывается парашют, тем больше падает скорость, но атмосфера Марса настолько разрежена, что ее плотности не хватает для обеспечения мягкой посадки. Впрочем, и на Земле парашюта для мягкой посадки недостаточно, и требуются двигатели мягкой посадки.

На Марсе парашют позволяет сбрасывать скорость примерно до 300 километров в час, и требуется еще какое-то инженерное решение, чтобы доставить в сохранности полезную нагрузку на поверхность. Здесь уже открывается больше простора для творчества инженеров и конструкторов.

Советские «Марсы» имели довольно малую массу для посадочных станций, поэтому обходились небольшими тормозными пороховыми двигателями. Причем, у «Марса-2» и «Марса-3» двигателей было два: один уводил парашют в сторону, а второй – «подвешивал» яйцеобразную капсулу на цепях над поверхностью планеты.

Последние метры «Марсы» пролетали в свободном падении, и удар на себя принимала толстая пенопластовая «скорлупа». Из-за смещенного центра масс, по принципу неваляшки, «яйцо» стабилизировалось, и верхняя часть кожуха отстреливалась в сторону. Затем раскладывались «лепестки», которые позволяли развернуть посадочную станцию вертикально, чтобы антенны могли передать данные на спутник.

У «Марса-6» в 1973 году был один твердотопливный двигатель мягкой посадки, который сразу и гасил скорость, и отводил парашют. Точнее, должен был это делать. Что с ним произошло на самом деле, мы не знаем – передача данных с него прервалась примерно на этапе отделения парашюта, и сам аппарат на поверхности Марса пока не обнаружен. Существует гипотеза, что, как и в случае со Schiaparelli, к аварии привела неверная оценка расстояния до поверхности.

Передача данных в полете, реализованном на «Марсе-6» – это тоже результат опыта «Марса-3». «Третий» молчал, как и задумывалось, но специалисты на Земле поняли, что лучше бы он вещал на протяжении всей посадки. И хотя «Марс-6» отключился, не добравшись до поверхности, поработать он все же успел: провел первый непосредственный анализ атмосферы Марса и передал результаты на Землю. Напарник «Марса-6», «Марс-7», промахнулся мимо планеты, и его сигналы какое-то время регистрировались орбитальной станцией.

Аппараты Viking-1 и Viking-2 от NASA в 1976 году использовали более сложную систему посадки – их уже оснастили жидкостными ракетными двигателями. Жидкостный двигатель позволяет автоматике контролировать импульс, добиваясь плавности спуска и меньшей скорости столкновения с поверхностью. При этом весь процесс посадки для Viking протекал легче, поскольку скорость входа аппаратов в атмосферу составляла всего 3 километра в секунду. Межпланетные аппараты сначала выходили на околомарсианскую орбиту, выбирали подходящее место, и только потом посадочные модули спускались в атмосферу. Благодаря такой схеме на поверхность «Красной планеты» удалось доставить массивные аппараты, которые проработали несколько лет и провели массу экспериментов, в том числе по поиску воды и жизни (правда, не нашли).

Следующая посадка произошла целых двадцать лет спустя, в 1997 году. Спускаемый аппарат Mars Pathfinder должен был протестировать несколько технологий, в том числе способ торможения при помощи «воздушных мешков». Первая часть спуска проходила по привычной для NASA схеме, в капсуле. А уже из капсулы на привязи вытягивался спускаемый аппарат. В нескольких десятках метров над поверхностью срабатывали твердотопливные тормозные двигатели. Вокруг аппарата надувались баллоны из прочной ткани, которую используют для создания скафандров.

Модуль в «пузырях» ударялся о поверхность и сотни метров скакал, подобно мячу. В конце концов, баллоны сдувались, и Mars Pathfinder раскладывался по хитрой схеме, обеспечивающей вертикализацию аппарата, на каком бы боку ни оказался аппарат в конце движения.

Впервые эту технологию с «лепестками» применили еще в СССР для посадки «Луны-9», а позже она пригодилась для посадки марсоходов Spirit и Opportunity.

Первый европейский посадочный зонд Beagle 2 в 2003 году садился похожим образом, только он умудрился обойтись даже без порохового тормозного двигателя. Спускался аппарат в капсуле и на парашюте, а потом тоже сразу скакал как мячик. Beagle 2 сел практически удачно, даже сумел немного поработать на поверхности, подобно «Марсу-3». Только на Земле узнали об этом спустя десять лет после посадки.

Для нормальной работы Beagle 2 надо было развернуть 4 лепестка с солнечными батареями и одну панель с приборами. Аппарат успел раскрыть только две солнечные батареи и остановился навсегда по неизвестной причине. Скорее всего, его аккумулятор сел, не успев зарядиться от Солнца, но это только предположение. Beagle 2 не передал данные о себе, поэтому, с точки зрения ESA, он ушел в атмосферу и навсегда замолчал. Нашли Beagle 2 только в 2013 году по снимкам марсианского спутника MRO.

В 1999 году NASA потеряло свою единственную посадочную миссию на Марсе – аппарат Mars Polar Lander. К его модулю прилагались два отделяемых импактных (ударных) зонда Deep space 2. Предполагалось, что они будут садиться и работать самостоятельно. И хотя потеряли все вместе, можно считать эту неудачу сразу за три. Картина выглядела так же, как и у других аварий на посадке: аппараты ушли в атмосферу – и тишина. Южный полюс Марса оказался недостижим, даже следов миссии не нашли.

В 2009 году попытку покорения полюса, на этот раз Северного, повторили. Конструкция Phoenix во многом повторяла Polar Lander, только с учетом прежних ошибок. Это была спускаемая платформа, похожая на Viking, только спускалась она без торможения на орбите. Полет завершился удачной посадкой. Было изучено северное приполярье и найдена марсианская вода.

В 2012 году марсоход Curiosity стал самым тяжелым объектом, который удалось благополучно доставить на Марс. Мало того, что он был вдвое тяжелее средней массы других марсианских посадочных модулей, Curiosity отличался еще и высочайшей конструктивной сложностью, поэтому эквилибристика в надувном мяче ему не подходила, и даже ронять его со спускаемой платформы на высоте пары метров было нельзя. Сесть мягко платформа может, но на последних метрах реактивная струя поднимает слишком много пыли. Поэтому даже на легких аппаратах конструкторы стараются ставить как можно больше сопел, чтобы распределять реактивный поток.

Для посадки Curiosity пришлось разрабатывать новую сложнейшую конструкцию, которая оставляла ракетные двигатели высоко наверху и вместе с ними поднимала мастерство посадки до фантастического уровня – SkyCrane.

По сути технология и название SkyCrane заимствованы у вертолетчиков. Именно там принцип «подлететь, зависнуть и погрузить» применяется давно и успешно. Только пропеллер на Марсе бесполезен, поэтому пришлось полагаться на ракетные двигатели. Сейчас взлетающей, зависающей и мягко садящейся ракетой никого не удивишь, а в середине 2000-х – это было весьма рискованное решение. Думаю, инженеры Jet Propulsion Laboratory потратили немало трудов, чтобы убедить всех чиновников NASA в успехе своего плана.

Наконец, вторая европейская попытка посадки на Марс – Schiaparelli, который опирался, кажется, на весь предыдущий опыт посадок на Марс: и на свой, и на чужой. В целом, посадочная схема повторяла схему Phoenix или Viking, только вместо ног удар приходился на широкий поддон из алюминиевых сот, что напоминает советские «Марсы».

Памятуя о неудаче Beagle 2, инженеры ESA разработали модуль «из целого куска», без каких-либо подвижных механизмов, антенн или панелей. От солнечных батарей вообще отказались.

Странно, что при этом решили обойтись без воздушных мешков, хотя они практически успешно посадили Beagle 2. Видимо, когда в 2013 году нашли пропавший зонд, разработка Schiaparelli дошла уже до того уровня, когда что-либо переделывать было поздно. Тем более, как показывают предварительные сообщения, сбой в посадке Schiaparelli случился на программном уровне, а не в «железе».

В целом, опыт полетов и посадок на Марс говорит о том, что это дело сложное, но возможное. И опыт здесь является определяющим фактором – частота попыток повышает шансы на успех, и даже наземной отработки с испытаниями всех возможных сценариев никогда не бывает мало.

В будущем, вероятно, полеты на Марс дополнятся новыми приемами и технологиями. И в России, и в США не первый год испытываются надувные тормозные щиты. Космопромышленник Илон Маск собирается сажать на поверхность Марса корабль BFR массой в десятки тонн при помощи аэродинамической посадки по схеме Space Shuttle. Сотрудники РКК «Энергия» тоже рассматривали такую схему еще в 1980-х – 1990-х годах и сочли ее вполне перспективной.

Из более реальных проектов в ближайшие годы стоит ожидать посадку марсохода Paster в рамках российско-европейского проекта ExoMars – там будет применена платформа. Также нас ждет посадка американского марсохода MSL (Mars Science Laboratory) 2020 – SkyCrane. И, возможно, посадка китайского марсохода – как именно ее будут осуществлять, пока неизвестно, но, скорее всего, либо на платформе, либо по схеме Spirit/Opportunity.

Глава первоначально подготовлена для научно-популярного портала N+1, и опубликована под названием «9:8 в пользу марсиан. Почему так трудно совершить успешную посадку на Красной планете».

Страница: https://nplus1.ru/material/ 2016/10/27/mars-landing-difficulties