Мы привыкли к тому, что парашют — это то, что раскрывается на финальном этапе посадки. Но так происходит в наших, земных условиях. Плотности атмосферы достаточно, чтобы купол замедлил скорость снижения. И то, парашютистов-людей учат принимать правильное положение, чтобы не поломать ноги, а техника садится с надувными амортизаторами или двигателями мягкой посадки, включающимися на последних секундах. Но в Солнечной системе на небесных телах разные условия, и иногда парашюты выступают в непривычной роли промежуточного этапа посадки. Они раскрываются на огромных, сверхзвуковых скоростях и по форме и пропорциям в лучшем случае лишь отдаленно напоминают нам привычные, земные купола. А еще для замедления в атмосфере предлагаются совсем особенные конструкции.
«Кьюриосити» снижается на парашюте, фото с орбитального аппарата Mars Reconnaissance Orbiter/NASA
Выпрыгнувший из самолета парашютист испытывает невесомость только первые мгновения. Сила сопротивления воздуха растет пропорционально квадрату скорости, и очень быстро парашютист достигнет предельной скорости падения, когда сила притяжения и аэродинамическое сопротивление уравновесятся. Сопротивление зависит от формы тела, поэтому для обычного парашютиста, падающего плашмя в тропосфере, предельная скорость падения равна примерно 50 м/с, а у первой ступени Falcon 9 перед последним включением двигателя и посадкой она составляет примерно 300 м/с. Роднит эти скорости то, что они дозвуковые. Даже ступень Falcon 9, которая падает вертикально и тормозится меньше всего, самостоятельно замедляется ниже скорости звука еще до финального включения двигателя. А для побития рекорда скорости в свободном падении Феликсу Баумгартнеру пришлось забраться на стратостате до высоты почти 39 км, где атмосфера разрежена и меньше задерживает падение.
Обтекание парашюта космического корабля Orion, источник
Форма привычного нам парашюта выбрана экспериментально, чтобы создавать максимальное сопротивление при минимальной площади. И если мы посмотрим на то, как воздух обтекает обычный, дозвуковой, парашют, то увидим достаточно очевидную картину — купол парашюта выступает как препятствие движению воздуха. Воздух частично обтекает купол и образует за ним зону большой аэродинамической тени с вихрями. Более быстрое движение воздуха по центру — результат специально сделанного отверстия, чтобы купол не раскачивался.
Расчетное и фактическое обтекание сверхзвукового парашюта, изображение Vorticity
На сверхзвуковой же скорости радикально меняется характер обтекания движущегося в воздухе тела. Перед ним формируется скачок уплотнения (ударная волна). Первые испытания показали, что обычные купола становятся нестабильными, пришлось увеличивать проницаемость купола и экспериментировать с его формой. Также на работу купола влияет возмущение от впереди летящего полезного груза, необходимо подбирать правильную длину строп, чтобы купол не начал схлопываться.
Поведение парашютов в зависимости от скорости и проницаемости ткани. Область внизу — парашют раскачивается, прерывистая линия — район, где парашют схлопывается и наполняется снова
В земных условиях парашюты снижают скорость с десятков (50 для парашютиста, 90 для спускаемого аппарата корабля “Союз”) до единиц метров в секунду. Например, СА “Союза” на высоте 9-11 км имеет предельную скорость снижения 240 м/с, гасит ее до 90 м/с небольшим тормозным парашютом площадью 14 м2 и раскрывает основной парашют. На последних метрах посадки СА “Союза” снижается со скоростью 9 м/с, а обычный круглый купол Д-1-5у обеспечивает около 5 м/с. Обе эти скорости достаточно велики, чтобы представлять опасность при неосторожном касании поверхности, поэтому парашютистов учат держать ноги вместе, а СА “Союза” включает специальные тормозные двигатели для мягкой посадки.
Пламя работы ДМП смотрится очень красиво. Посадка “Союз МС-11”, фото NASA/Bill Ingals
Можно ли обойтись без двигателя мягкой посадки? Если для уменьшения скорости снижения попытаться увеличить площадь, а следовательно, массу купола, то для безопасной скорости она станет нерационально большой. Еще есть вариант сажать корабль на воду (“Меркурии”, “Джемини”, “Аполлоны”, “Орион”), если корабль входит в воду под углом, то она работает как амортизатор. Также можно надувать воздушные мешки (Boeing Starliner).
А на поверхности Марса давление в 160 раз меньше земного, поэтому для финального этапа посадки парашютов точно не хватит — если переместить земного парашютиста в стандартном снаряжении на Марс, то после раскрытия купола он разбился бы, ударившись о поверхность на скорости ~60 м/с (200 км/ч). Предельная скорость падения парашютиста до раскрытия купола для Марса примерно в шесть раз больше земной — ~280 м/с (около поверхности). Она выше скорости звука на Марсе — ~244 м/с.
В результате посадка на Марс отличается от возвращения на Землю. На первом этапе спускаемый аппарат снижает скорость с нескольких километров в секунду до примерно 400 м/с, находясь в аэрооболочке с теплозащитным щитом. Затем раскрывается сверхзвуковой парашют, тормозящий спускаемый аппарат до примерно 60-100 м/с. И, наконец, третий, финальный этап посадки отличается наибольшим разнообразием технических решений — аппараты спускаются на своих двигателях (“Викинги”, MARS InSight, “Скиапарелли”), тормозятся сбрасываемыми двигателями и садятся в надувных шарах амортизаторов (Mars Pathfinder, марсоходы Spirit/Opportunity), опускаются на поверхность под специальной платформой на ракетных двигателях (Curiosity), а легкие аппараты обходятся без тормозных двигателей (Beagle-2) или, притормозив ими, падают на амортизатор (“Марс-3”).
И СССР, и США, собравшись отправлять аппараты для мягкой посадки на Марс, столкнулись с задачей испытания выполняющих ее систем. И если поведение теплозащиты уже было известно по испытаниям боеголовок межконтинентальных ракет и возвращающихся с земной орбиты аппаратов, а финальный этап посадки можно было проверить, сбрасывая аппараты с вертолета, то для проверки работы сверхзвукового парашюта нужно было подобрать специальные условия. К счастью, на Земле это можно было сделать. На высоте 30-40 км плотность атмосферы не сильно отличается от марсианской, а, используя ракетные двигатели, тестовые стенды можно было разогнать до сверхзвуковых скоростей. И по обе стороны океана инженеры пришли к похожим решениям. В СССР сверхзвуковые парашюты для “Марсов” тестировали, поднимая их в стратосферу на метеорологических ракетах М-100Б. Испытания оказались полезными, в воспоминаниях рассказывается о тенденции первой версии парашюта к схлопыванию на скорости 3,5М, которую заметили и смогли исправить.
В США для “Викингов” испытательный стенд был несколько сложнее — аппарат поднимали на высоту 36 км на стратостате, а затем разгоняли твердотопливными двигателями. Сохранились даже кадры испытаний августа 1972 года. Им повезло — пленки забыли в списанном и проданном шкафу и чуть не потеряли совсем, но случай и энтузиаст космонавтики не позволили им пропасть.
Всего было проведено 4 испытания, все успешные, но не потому, что сразу повезло найти подходящее техническое решение. Дело в том, что программа “Викинг” использовала наработки 60-х годов по созданию парашютов для космических аппаратов — Planetary Entry Parachute Program (PEPP), Supersonic Planetary Entry Decelerator (SPED) и Supersonic High Altitude Parachute Experiment (SHAPE), а испытательные полеты были только вершиной программы испытаний, включавшей в себя тесты в аэродинамической трубе, бросковые испытания и проверки пировыбрасывателя.
В PEPP, SPED и SHAPE провели в общей сложности 16 испытательных полетов, из которых удачными оказались только 11. На основе предыдущих экспериментов проверялись три наиболее перспективных типа купола — круглощелевой (ringsail), крестообразный и тип “диск-разрыв-полоса” (disk-gap-band, DGB).
Испытания крестообразного купола
Последний тип, DGB, оказался наиболее подходящим по тормозящей силе и стабильности для сверхзвукового раскрытия. Именно его и стали ставить на аппараты NASA в последующие десятилетия.
Испытания DGB-купола
Внимательный читатель спросит: “А почему разговор только про Марс? Как же другие планеты?” Марс — самая частая арена для сверхзвукового парашюта, но не единственная. И если вы подумали про Венеру, то ошиблись — плотность ее атмосферы такова, что спускаемые аппараты еще до раскрытия парашюта тормозятся до дозвуковых скоростей, и условия для спуска на парашюте сравнимы с земными. Скорость звука на Венере ~410 м/с, а первый аппарат, снижавшийся в ее атмосфере, “Венера-4”, раскрыл парашют на скорости примерно 210 м/с. Сверхзвуковой парашют использовался при снижении на Титане. Причем, учитывая особенности атмосферы спутника Сатурна, на европейском зонде “Гюйгенс” применили любопытное техническое решение: сначала на скорости 400 м/с (для Титана это примерно 2М) открывается сверхзвуковой парашют. А спустя 15 минут он сбрасывается, и открывается тормозной/посадочный парашют. Дело в том, что площадь сверхзвукового парашюта быстро становится избыточной, и зонд мог замерзнуть еще до достижения поверхности. Поэтому второй парашют меньшей площади обеспечивает начальную скорость снижения в 94 м/с, которая к поверхности уменьшается до 4,7 м/с за счет увеличения плотности атмосферы.
Спуск «Гюйгенса» на Титан
На юбилей, 20 лет миссии, парашют развернули для съемок канала Discovery.
Фото Vorticity Systems
Внимательный читатель увидит на этой фотографии уже известную компоновку “диск-разрыв-полоса” DGB. Действительно, технологии, отработанные на марсианских аппаратах, пригодились совсем в другом уголке Солнечной системы.
Раз уж зашла речь о европейских аппаратах, можно вспомнить “Скиапарелли”, который разбился на финальном этапе, но смог вполне успешно затормозить на DGB сверхзвуковом парашюте.
Фото ESA
Законы физики не изменились, и DGB-парашют можно использовать и сейчас, но для сравнительно небольших аппаратов. Дальше начинается неисследованная зона — в 60-х единственное испытание с нагрузкой больше тонны окончилось неудачно. Немного грузоподъемности можно выиграть, применяя новые материалы купола и строп, но уже Curiosity вплотную подошел к пределу безопасности, который могла обеспечить старая технология. А ведь хочется сажать на Марс все более тяжелые аппараты. Нужно придумать что-нибудь новое. Таким экспериментальным проектом стал Low-Density Supersonic Decelerator (LDSD). Здесь пытаются реализовать сразу два изменения. Во-первых, DGB-парашют меняют на круглощелевой. Во-вторых, для дополнительного замедления площадь аэрооболочки увеличивают, надувая кольцевой “воротник”.
Изображение NASA
Новая система должна будет обеспечить посадку на Марс 2-3 тонных зондов. Но в двух испытаниях парашют порвался. Третье ожидалось в 2016, но до сих пор о нем ничего не слышно.
Так что парашют для ровера 2020 года еще может ставить рекорды, раскрываясь за 0,4 секунды и выдерживая пиковую нагрузку в 37 тонн, но для посадки чего-либо более тяжелого, чем ровер-2020, просто увеличить его уже не получится.
Раскрытие парашюта ровера-2020
Идея раскрывающегося “воротника” LDSD базируется на принципиально другом подходе, когда вместо привычного парашюта используется надувной “волан”. И здесь последними по времени будут несколько российских испытаний разной степени удачности. В 2000 году на орбиту отправились разгонный блок “Фрегат” и капсула с приборами. Они затормозили, чтобы войти в атмосферу, и раскрыли «воланы» перед входом в плотные ее слои. От “Фрегата” нашли только титановые баки, а вот капсула, даже несмотря на отказ второго, более широкого “воротника”, пережила падение. В 2001 и 2002 году, к сожалению, полезную нагрузку найти не смогли. В пуске 2005 года тестовый стенд вышел на связь, пройдя этап торможения в облаке плазмы, но, спустя 23 секунды он замолчал, и в районе падения его не смогли найти. Несмотря на отсутствие полностью удачных испытаний, НПО им. Лавочкина и НИЦ имени Бабакина возлагают большие надежды на концепт. На противоположном берегу океана, в NASA, существуют аналогичные проекты LOTFID и HIAD-2.
Разгонный блок “Фрегат” с “воланом”, иллюстрация НИЦ имени Г.Н. Бабакина
В 2020 году на Марс отправится не только ровер NASA, но и посадочный российско-европейский модуль “Экзомарс”, в который будут входить ровер “Розалинд Франклин” и платформа “Казачок”. Интересной особенностью посадочной платформы, 80% которой делает НПО им. Лавочкина, являются два парашюта. Сначала раскроется сверхзвуковой привычного типа DGB, затем, когда скорость станет дозвуковой, раскроется второй, круглощелевой, парашют диаметром 35 метров, самый большой в истории изучения Марса.
Изображение ESA
По последним новостям, во время недавнего испытания на обоих парашютах появились разрывы. Их не хватило, чтобы сделать недостаточным тормозное усилие, но проблему, конечно же, надо исправить. К счастью, время на это еще есть — “Экзомарс-2020” полетит в июне 2020.
Парашюты остаются эффективными главным образом благодаря небольшой массе. И даже если начнет успешно садиться на Марс корабль Starship от SpaceX, для которого при посадке предлагается использовать крылья и двигатели, беспилотные зонды еще долго будут использовать отработанные технологии — сверхзвуковой парашют плюс торможение со сравнительно небольшой скорости выгоднее по массе, чем торможение исключительно на двигателях со сверхзвука.
Материал подготовлен для портала N+1, публикуется в авторской редакции.
«Кьюриосити» снижается на парашюте, фото с орбитального аппарата Mars Reconnaissance Orbiter/NASA
Немного физики
Выпрыгнувший из самолета парашютист испытывает невесомость только первые мгновения. Сила сопротивления воздуха растет пропорционально квадрату скорости, и очень быстро парашютист достигнет предельной скорости падения, когда сила притяжения и аэродинамическое сопротивление уравновесятся. Сопротивление зависит от формы тела, поэтому для обычного парашютиста, падающего плашмя в тропосфере, предельная скорость падения равна примерно 50 м/с, а у первой ступени Falcon 9 перед последним включением двигателя и посадкой она составляет примерно 300 м/с. Роднит эти скорости то, что они дозвуковые. Даже ступень Falcon 9, которая падает вертикально и тормозится меньше всего, самостоятельно замедляется ниже скорости звука еще до финального включения двигателя. А для побития рекорда скорости в свободном падении Феликсу Баумгартнеру пришлось забраться на стратостате до высоты почти 39 км, где атмосфера разрежена и меньше задерживает падение.
Обтекание парашюта космического корабля Orion, источник
Форма привычного нам парашюта выбрана экспериментально, чтобы создавать максимальное сопротивление при минимальной площади. И если мы посмотрим на то, как воздух обтекает обычный, дозвуковой, парашют, то увидим достаточно очевидную картину — купол парашюта выступает как препятствие движению воздуха. Воздух частично обтекает купол и образует за ним зону большой аэродинамической тени с вихрями. Более быстрое движение воздуха по центру — результат специально сделанного отверстия, чтобы купол не раскачивался.
Расчетное и фактическое обтекание сверхзвукового парашюта, изображение Vorticity
На сверхзвуковой же скорости радикально меняется характер обтекания движущегося в воздухе тела. Перед ним формируется скачок уплотнения (ударная волна). Первые испытания показали, что обычные купола становятся нестабильными, пришлось увеличивать проницаемость купола и экспериментировать с его формой. Также на работу купола влияет возмущение от впереди летящего полезного груза, необходимо подбирать правильную длину строп, чтобы купол не начал схлопываться.
Поведение парашютов в зависимости от скорости и проницаемости ткани. Область внизу — парашют раскачивается, прерывистая линия — район, где парашют схлопывается и наполняется снова
В земных условиях парашюты снижают скорость с десятков (50 для парашютиста, 90 для спускаемого аппарата корабля “Союз”) до единиц метров в секунду. Например, СА “Союза” на высоте 9-11 км имеет предельную скорость снижения 240 м/с, гасит ее до 90 м/с небольшим тормозным парашютом площадью 14 м2 и раскрывает основной парашют. На последних метрах посадки СА “Союза” снижается со скоростью 9 м/с, а обычный круглый купол Д-1-5у обеспечивает около 5 м/с. Обе эти скорости достаточно велики, чтобы представлять опасность при неосторожном касании поверхности, поэтому парашютистов учат держать ноги вместе, а СА “Союза” включает специальные тормозные двигатели для мягкой посадки.
Пламя работы ДМП смотрится очень красиво. Посадка “Союз МС-11”, фото NASA/Bill Ingals
Можно ли обойтись без двигателя мягкой посадки? Если для уменьшения скорости снижения попытаться увеличить площадь, а следовательно, массу купола, то для безопасной скорости она станет нерационально большой. Еще есть вариант сажать корабль на воду (“Меркурии”, “Джемини”, “Аполлоны”, “Орион”), если корабль входит в воду под углом, то она работает как амортизатор. Также можно надувать воздушные мешки (Boeing Starliner).
А на поверхности Марса давление в 160 раз меньше земного, поэтому для финального этапа посадки парашютов точно не хватит — если переместить земного парашютиста в стандартном снаряжении на Марс, то после раскрытия купола он разбился бы, ударившись о поверхность на скорости ~60 м/с (200 км/ч). Предельная скорость падения парашютиста до раскрытия купола для Марса примерно в шесть раз больше земной — ~280 м/с (около поверхности). Она выше скорости звука на Марсе — ~244 м/с.
В результате посадка на Марс отличается от возвращения на Землю. На первом этапе спускаемый аппарат снижает скорость с нескольких километров в секунду до примерно 400 м/с, находясь в аэрооболочке с теплозащитным щитом. Затем раскрывается сверхзвуковой парашют, тормозящий спускаемый аппарат до примерно 60-100 м/с. И, наконец, третий, финальный этап посадки отличается наибольшим разнообразием технических решений — аппараты спускаются на своих двигателях (“Викинги”, MARS InSight, “Скиапарелли”), тормозятся сбрасываемыми двигателями и садятся в надувных шарах амортизаторов (Mars Pathfinder, марсоходы Spirit/Opportunity), опускаются на поверхность под специальной платформой на ракетных двигателях (Curiosity), а легкие аппараты обходятся без тормозных двигателей (Beagle-2) или, притормозив ими, падают на амортизатор (“Марс-3”).
Творческое переиспользование
И СССР, и США, собравшись отправлять аппараты для мягкой посадки на Марс, столкнулись с задачей испытания выполняющих ее систем. И если поведение теплозащиты уже было известно по испытаниям боеголовок межконтинентальных ракет и возвращающихся с земной орбиты аппаратов, а финальный этап посадки можно было проверить, сбрасывая аппараты с вертолета, то для проверки работы сверхзвукового парашюта нужно было подобрать специальные условия. К счастью, на Земле это можно было сделать. На высоте 30-40 км плотность атмосферы не сильно отличается от марсианской, а, используя ракетные двигатели, тестовые стенды можно было разогнать до сверхзвуковых скоростей. И по обе стороны океана инженеры пришли к похожим решениям. В СССР сверхзвуковые парашюты для “Марсов” тестировали, поднимая их в стратосферу на метеорологических ракетах М-100Б. Испытания оказались полезными, в воспоминаниях рассказывается о тенденции первой версии парашюта к схлопыванию на скорости 3,5М, которую заметили и смогли исправить.
В США для “Викингов” испытательный стенд был несколько сложнее — аппарат поднимали на высоту 36 км на стратостате, а затем разгоняли твердотопливными двигателями. Сохранились даже кадры испытаний августа 1972 года. Им повезло — пленки забыли в списанном и проданном шкафу и чуть не потеряли совсем, но случай и энтузиаст космонавтики не позволили им пропасть.
Всего было проведено 4 испытания, все успешные, но не потому, что сразу повезло найти подходящее техническое решение. Дело в том, что программа “Викинг” использовала наработки 60-х годов по созданию парашютов для космических аппаратов — Planetary Entry Parachute Program (PEPP), Supersonic Planetary Entry Decelerator (SPED) и Supersonic High Altitude Parachute Experiment (SHAPE), а испытательные полеты были только вершиной программы испытаний, включавшей в себя тесты в аэродинамической трубе, бросковые испытания и проверки пировыбрасывателя.
В PEPP, SPED и SHAPE провели в общей сложности 16 испытательных полетов, из которых удачными оказались только 11. На основе предыдущих экспериментов проверялись три наиболее перспективных типа купола — круглощелевой (ringsail), крестообразный и тип “диск-разрыв-полоса” (disk-gap-band, DGB).
Испытания крестообразного купола
Последний тип, DGB, оказался наиболее подходящим по тормозящей силе и стабильности для сверхзвукового раскрытия. Именно его и стали ставить на аппараты NASA в последующие десятилетия.
Испытания DGB-купола
Не Марсом единым
Внимательный читатель спросит: “А почему разговор только про Марс? Как же другие планеты?” Марс — самая частая арена для сверхзвукового парашюта, но не единственная. И если вы подумали про Венеру, то ошиблись — плотность ее атмосферы такова, что спускаемые аппараты еще до раскрытия парашюта тормозятся до дозвуковых скоростей, и условия для спуска на парашюте сравнимы с земными. Скорость звука на Венере ~410 м/с, а первый аппарат, снижавшийся в ее атмосфере, “Венера-4”, раскрыл парашют на скорости примерно 210 м/с. Сверхзвуковой парашют использовался при снижении на Титане. Причем, учитывая особенности атмосферы спутника Сатурна, на европейском зонде “Гюйгенс” применили любопытное техническое решение: сначала на скорости 400 м/с (для Титана это примерно 2М) открывается сверхзвуковой парашют. А спустя 15 минут он сбрасывается, и открывается тормозной/посадочный парашют. Дело в том, что площадь сверхзвукового парашюта быстро становится избыточной, и зонд мог замерзнуть еще до достижения поверхности. Поэтому второй парашют меньшей площади обеспечивает начальную скорость снижения в 94 м/с, которая к поверхности уменьшается до 4,7 м/с за счет увеличения плотности атмосферы.
Спуск «Гюйгенса» на Титан
На юбилей, 20 лет миссии, парашют развернули для съемок канала Discovery.
Фото Vorticity Systems
Внимательный читатель увидит на этой фотографии уже известную компоновку “диск-разрыв-полоса” DGB. Действительно, технологии, отработанные на марсианских аппаратах, пригодились совсем в другом уголке Солнечной системы.
Раз уж зашла речь о европейских аппаратах, можно вспомнить “Скиапарелли”, который разбился на финальном этапе, но смог вполне успешно затормозить на DGB сверхзвуковом парашюте.
Фото ESA
Надувные летающие тарелки
Законы физики не изменились, и DGB-парашют можно использовать и сейчас, но для сравнительно небольших аппаратов. Дальше начинается неисследованная зона — в 60-х единственное испытание с нагрузкой больше тонны окончилось неудачно. Немного грузоподъемности можно выиграть, применяя новые материалы купола и строп, но уже Curiosity вплотную подошел к пределу безопасности, который могла обеспечить старая технология. А ведь хочется сажать на Марс все более тяжелые аппараты. Нужно придумать что-нибудь новое. Таким экспериментальным проектом стал Low-Density Supersonic Decelerator (LDSD). Здесь пытаются реализовать сразу два изменения. Во-первых, DGB-парашют меняют на круглощелевой. Во-вторых, для дополнительного замедления площадь аэрооболочки увеличивают, надувая кольцевой “воротник”.
Изображение NASA
Новая система должна будет обеспечить посадку на Марс 2-3 тонных зондов. Но в двух испытаниях парашют порвался. Третье ожидалось в 2016, но до сих пор о нем ничего не слышно.
Так что парашют для ровера 2020 года еще может ставить рекорды, раскрываясь за 0,4 секунды и выдерживая пиковую нагрузку в 37 тонн, но для посадки чего-либо более тяжелого, чем ровер-2020, просто увеличить его уже не получится.
Раскрытие парашюта ровера-2020
Воротник-волан
Идея раскрывающегося “воротника” LDSD базируется на принципиально другом подходе, когда вместо привычного парашюта используется надувной “волан”. И здесь последними по времени будут несколько российских испытаний разной степени удачности. В 2000 году на орбиту отправились разгонный блок “Фрегат” и капсула с приборами. Они затормозили, чтобы войти в атмосферу, и раскрыли «воланы» перед входом в плотные ее слои. От “Фрегата” нашли только титановые баки, а вот капсула, даже несмотря на отказ второго, более широкого “воротника”, пережила падение. В 2001 и 2002 году, к сожалению, полезную нагрузку найти не смогли. В пуске 2005 года тестовый стенд вышел на связь, пройдя этап торможения в облаке плазмы, но, спустя 23 секунды он замолчал, и в районе падения его не смогли найти. Несмотря на отсутствие полностью удачных испытаний, НПО им. Лавочкина и НИЦ имени Бабакина возлагают большие надежды на концепт. На противоположном берегу океана, в NASA, существуют аналогичные проекты LOTFID и HIAD-2.
Разгонный блок “Фрегат” с “воланом”, иллюстрация НИЦ имени Г.Н. Бабакина
Вызов 2020
В 2020 году на Марс отправится не только ровер NASA, но и посадочный российско-европейский модуль “Экзомарс”, в который будут входить ровер “Розалинд Франклин” и платформа “Казачок”. Интересной особенностью посадочной платформы, 80% которой делает НПО им. Лавочкина, являются два парашюта. Сначала раскроется сверхзвуковой привычного типа DGB, затем, когда скорость станет дозвуковой, раскроется второй, круглощелевой, парашют диаметром 35 метров, самый большой в истории изучения Марса.
Изображение ESA
По последним новостям, во время недавнего испытания на обоих парашютах появились разрывы. Их не хватило, чтобы сделать недостаточным тормозное усилие, но проблему, конечно же, надо исправить. К счастью, время на это еще есть — “Экзомарс-2020” полетит в июне 2020.
Заключение
Парашюты остаются эффективными главным образом благодаря небольшой массе. И даже если начнет успешно садиться на Марс корабль Starship от SpaceX, для которого при посадке предлагается использовать крылья и двигатели, беспилотные зонды еще долго будут использовать отработанные технологии — сверхзвуковой парашют плюс торможение со сравнительно небольшой скорости выгоднее по массе, чем торможение исключительно на двигателях со сверхзвука.
Материал подготовлен для портала N+1, публикуется в авторской редакции.
Комментарии (29)
Gryphon88
19.08.2019 14:28Семитонный «Союз» без движков на Землю не посадить, а насколько возможно спасать двигатели первой или второй ступеней на парашютах?
lozga Автор
19.08.2019 21:40Технически возможно, но пока не реализовали. Был проект Adeline, закрыли. Для Vulcan выдвигался проект спасения только двигателей.
GiperBober
А для «Венеры-7» с массой 1180 кг понадобился парашют площадью всего 2,8м2. ) Впрочем, ТС уже пояснил, что понятие «сверхзвуковой» к парашютным системам на Венере не имеет отношения. Вообще, плотность атмосферы Венеры такова, что одним из способов колонизации Венеры считается поселения-аэростаты в атмосфере Венеры.
P.S. Вообще, я не понимаю ажиотажа вокруг Марса и считаю, что наиболее перспективна для полноценной колонизации именно Венера. Марс банально более удобен для сиюминутного «флаговтыка», но низкая гравитация, разреженная атмосфера и магнитосфера в перспективе делает обитаемость планеты более трудоёмкой, чем укрощение агрессивной атмосферы Венеры.
HerrDirektor
На Марсе гораздо проще добраться до поверхности. А это позволит строить колонию из местных материалов, что в итоге серьезно дешевле, чем аэростаты в верхних слоях атмосферы.
GiperBober
«Колония из местных материалов» на Марсе — такая же по сути фикция, как МКС. Т.е. для отчётности, что некое «международное сотрудничество в космосе и совместная пилотируемая космонавтика есть», а по факту, уже 50 лет обитаемые космические станции не могут уйти дальше 400 км от планеты. Атмосферы нет и не предвидится, а неприспособленность человека к низкой гравитации намекает, что главную роль для бэкапа человечества (автономное поселение, способное выжить и развиваться без Земли) Марс не выполнит. Венера с её 0,9G, и наличием атмосферы и магнитосферы явно более пригодна для терраформирования, но и более сложна — требуется повышение альбедо, а так же разложение углекислого газа обратно на кислород и углерод. Да и с энергией проблем меньше — близость к солнцу = солнечные панели, да и выращивание растений будет явно проще, чем на Марсе под искусственным освещением. На Марсе так или иначе придётся мудрить что-то с реакторами, что намекает на технологическую зависимость по материалам от родной планеты, что опять же не в пользу автономности Марса.
AndrewDvizhok
Сейчас больше занимаются ковырянием грунтов, а на Венере это очень трудно.
По поводу бэкапа в виде планеты — сейчас очень рано что-то думать, мечтать только. ИМХО сегодня более реально бэкап десятка особей на луне с запасами лет на 30-50, чтобы земной катаклизм переждать и обратно.
braineater
Толку с десятка особей то? Выродятся же. Слишком мало для бэкапа.
Goodkat
Десятка женских особей и банка спермы/яйцеклеток вкупе с искусственным оплодотворением достаточно для бэкапа. Причём первые поколения мужские особи и не нужны.
teecat
Из Африки пишут в свое время вышло порядка трех женщин. И ничего. Размножились. Главное, чтобы малое народонаселение не стер катаклизм или невезуха
Vsevo10d
Жить в слое возмущенной атмосферы, делающей полный оборот вокруг планеты за 4 дня, с сернокислыми облаками наверху и настоящим автоклавом внизу — это какая-то поистине жюльверновская дичь, безумнее только замерзшие облака с замерзшим Мэттом Дэймоном на них.
user_man
>> это какая-то поистине жюльверновская дичь
Наутилусы во всю под водой путешествуют. Тоже дичь?
Osnovjansky
А вы почитайте внимательно: Атмосфера Венеры
Для небольшого поселения на поверхности вам понадобится нечто вроде титановой атомной подводной лодки + высокотемпературные тепловые насосы для поддержания подходящей температуры внутри + сначала поднять это все с Земли + аккуратно «уронить» на поверхность Венеры
А для «воздухоплавания» в диапазоне комфортных для человека температур — нужен «дирижбобель» с кислотостойкой оболочкой, неизвестно откуда берущий энергию и запас «рабочего тела» для наполнения оболочки и обладающий достаточной прочностью для существования в уловиях сверхураганных ветров, с возможными турбулентностями
В принципе, да, всё возможно. Но не сейчас. И непонятно, а нафига, собственно.
Sun-ami
Дирижабль на высоте с давленем в одну атмосферу на дневной стороне Венеры может получать энергию от солнечных батарей, а в качестве рабочего тела использовать воздух земного состава — азот для него можно выделить из венерианского воздуха сепарацией, а кислород — при помощи фотосинтеза в контейнерах с сине-зелёными водорослями. Турбулентности на высоте 55 км взяться неоткуда — горы намного ниже, и температура нижних слоём атмосферы выровнена. Впрочем, для колонизации потребуется терраформирование, а это — задача на порядок сложнее, чем терраформирование Марса.
ZuOverture
На высоте с давлением в одну атмосферу и выше много хорошо отражающих облаков, так что солнечные панели могут дать меньше энергии, чем можно было бы ожидать (впрочем, VAMP покажет, если будет реализован). Отсутствие «воздушных ям» маловероятно, поскольку на этой высоте присутствует вертикальная конвекция плюс супервращение гоняет ветра со скоростями до трети скорости звука(!).
В общем-то, непонятно зачем привязываться именно к высоте с давлением в одну атмосферу. Существование на высоте орбиты ISS гораздо проще и безопаснее. Если хочется погорячее, то у NASA есть разработки по высокотемпературной SiC-электронике, рано или поздно должны появиться долгоиграющие зонды для поверхности, вероятно с чем-то ядерным в качестве источника энергии.
Sun-ami
Кроме солнечных батарей дирижабль может получать энергию от ветрогенератора на опускаемом на тросе термостойком буксируемом аппарате, за счёт разницы в скорости ветра на разных высотах. А если оснастить этот аппарат крыльями — с его помощью дирижабль сможет маневрировать, используя баллон в качестве паруса, а буксируемый аппарат — в качестве киля. Преимущества дирижабля по сравнению с орбитальной станцией, помимо этого:
1) Атмосфера защищает от радиации, особенно солнечной, которая на орбите Венеры сильнее, чем на высокой околоземной.
2) Можно выращивать растения для питания исследователей и получения кислорода прямо внутри мягкого светопроницаемого баллона, за счёт солнечного света.
3) Имея 2 дирижабля, идущих друг за другом, можно организовывать кратковременные погружения на поверхность — для исследований и добычи камней для переработки в металл и другие конструкционные материалы. При этом для охлаждения использовать аккумуляторы холода (например большие ёмкости с жидким азотом), а для подъёма — простые аэростаты. Подбор и доставку людей и оборудования между дирижаблями можно организовать электрическими вертолётами и малыми скоростными дирижаблями.
4) Меньшая высота полёта даёт возможность получить более детальные радарные изображения поверхности.
ZuOverture
1) Да, это так. Причем, учитывая меньшую силу тяжести, масса атмосферного столба дающего давление в 100кПа должна быть больше, чем на Земле — больше вещества, лучше защита. Но для не очень длинных экспедиций разница не значима.
2) Здесь выигрывает орбитальная станция, потому что над ней нет облаков, хотя растениям потребуется защита от коротковолнового излучения. Газы и минералы для растений могут быть включены в замкнутый цикл оборота веществ. Да, не полностью, ну так и дирижаблю в верхнем слое атмосферы тоже доступно далеко не всё необходимое.
3) Все проекты миссий по (хотя бы) возврату образцов с поверхности доступны лишь в виде концепций/эскизов и включают в себя очень большое число ни разу не выполнявшихся шагов. Релистичны in-situ зонды для кратковременных исследований поверхности, посещения поверхности пока за пределами фантастики.
4) Это можно делать и без людей. Более того, дроны могут нырнуть значительно ниже, их ведь не обязательно возвращать.
В общем и целом, конечно, станция имеет смысл только если появятся многофункциональные аппараты, способные долго работать на поверхности и требующие оператора с минимальным временным лагом. Что тоже фантастика.
GiperBober
Эм. Как раз это я и пытаюсь объяснить — терраформирование Венеры проще как раз на порядки, чем Марса. Потому что сделать Марсу гравитацию ~1G оооочень тяжело будет, как и нормальную атмосферу (как по составу, так и по давлению, и по способности Марса эту атмосферу удержать). Да и далековато Марс от Солнца, чтобы что-то мудрить с растениями, а города под куполами и с теплицами с искусственным освещением — это не терраформирование, это так, аванпосты.
В то время как Венере достаточно поднять альбедо=снижение температуры (или сочинять солнечный щит, защищающий Венеру от излишков солнечной радиации), а углекислый газ в атмосфере и уйма Солнца = пригодность для растений. Сложность, как я уже пояснял, в отсутствии азота и воды. Как повышать Марсу гравитацию (в том числе для того, чтобы он мог удержать атмосферу, но в первую очередь — для комфортности пребывания человеков) — я полный хз, если только долго и упорно бомбардировать его здоровенными астероидами, но наращивание толщины планеты на несколько тысяч километров — это тектоническая активность ещё на многие миллионы лет.
striver
На сейчас на Марс может хотя бы высадится робот и работать годами. На Венере проработал 2 часа. Сейчас нет даже близко технологий, чтобы там жить и выживать. На Марсе же можно окопаться и жить под куполами. В теории. Плавать в облаках — не выход, где брать на это всё ресурсы? Нужно уверенно ощущать твёрдую поверхность под ногами или же постоянные караваны с топливом и пищей. Да, возможно, Венера и более похожа на Землю, но там сейчас условия таковы, что нужна не одна революция в технологиях.
GiperBober
Вам термин «терраформирование» непонятен в принципе? Неважно, поселение, аэростат, поселение под поверхностью планеты — это всё тупо НЕ ИМЕЕТ СМЫСЛА. Так же, как не имеет смысла МКС — всё, что на ней отрабатывают, отработали давным-давно ещё на станции «МИР». Если задача стоит просто в освоении полезных ископаемых, то человек не нужен ни на Марсе, ни на Венере, ни на астероидах (во всяком случае, постоянно и в больших количествах, так, настройщики, ремонтники. Но — не население) — там тупо хватит роботов. Он даже на орбитальной станции не нужен. Единственный смысл ПИЛОТИРУЕМОЙ космонавтики — в создании бэкапа человечества, полностью независящего от Земли, в том числе от катаклизмов, настолько глобальных, что Земля в ходе него теряет смысл не только на 20-50 лет, но и в принципе. Соответственно Марс бессмысленнен для посылки туда человека — хоть сейчас, хоть в любом отдалённом будущем, потому как непригоден для терраформирования В ПРИНЦИПЕ. Неважно, что послать человека воткнуть флаг в Марс проще здесь и сейчас, это ПРОСТО НЕ ИМЕЕТ СМЫСЛА. И всё упирается в его маленькие размеры и практическое отсутствие — и способность удержать — атмосферы. Если проблема с Венерой решается хотя бы теоретически и даже на текущем уровне научных знаний (но не физических возможностей промышленности) — растения, специальные бактерии, солнечный щит, распыление специальных аэрозолей для повышения альбедо для снижения температуры атмосферы Венеры, то проблема Марса решается только длительной массивной бомбардировкой астероидами и пережиданием тектонической активности — или планетарными системами искусственной гравитации, но до этого земная наука ещё просто не дошла — не то, что промышленность.
striver
Хм, хорошо, что вам всё понятно. Что живут роботы, а не люди. И вообще, люди — это лишнее звено эволюции.
Sun-ami
Это смотря что понимать под терраформированием. Я согласен с определением в Википедии:
Если исходить из этого — гравитация на Марсе подходит, давление может составлять только треть от земного, главное — чтобы кислорода хватало, освещённость — подходит. В таких условиях человек вполне может жить на Марсе, и прекрасно себя чувствовать. Нужно только поднять температуру орбитальными зеркалами, поднять давление спровоцированным вулканизмом или кометами, а состав атмосферы уже сами растения доведут до кондиции. Магнитное поле — не обязательно, нужно только восполнять потерю атмосферы, это немного по сравнению с её первоначальным формированием.А на Венере всё сложнее. Главная проблема — куда девать огромное количество углекислого газа? Если разложить углекислый газ на кислород и углерод — получим кислородную атмосферу высокого давления, в которой земные организмы жить не смогут, и будет всё гореть — в первую очередь тот самый углерод из атмосферы. Можно выморозить, но тут встаёт другая проблема — как охладить планету в разумные сроки, если она покрыта огромной толщей углекислого газа, препятствующего охлаждению излучением тепла? Ведь охладить нужно не только атмосферу, но и кору как минимум на километр вглубь, иначе шапка из вымороженного CO2 будет таять снизу. Даже после этого — как обеспечить содержание CO2 порядка земного? Ведь если оно будет существенно выше — будет парниковый эффект, и освещённость придётся делать существенно ниже земной, что плохо для растений. Если завезти на Венеру воду — как избежать её вымораживания на шапках углекислотного льда?
striver
Много ли аппаратов работает на Венере и как долго они могут работать? Это так, хотя бы для флаговтыка.
Dolios
У Венеры магнитного поля тоже, считай, нет так то. И на Земле, согласно последним данным, которые тут Зеленый Кот публиковал, магнитное поле, скорее, наоборот способствует улетучиванию атмосферы. Хз чего все с этим полем носятся, как с писаной торбой.