Как отправить дом на марс — «наука»
Эксперты НАСА помой-му осознали, как это сделать… но летом прошлого года вышла осечка.
Более пятисот лет тому назад Леонардо да Винчи набросал схему парашюта: обтянутый тканью твёрдый каркас пирамидальной формы, замедляющий скорость падения. Да Винчи его так и не создал, но в более поздние времена его идею с успехом воплотили другие. Четыре столетия спустя по окончании смерти великого итальянца принцип действия парашюта не изменился: трение воздуха, замедляющее падение.
И данный принцип, по мысли да Винчи, обязан трудиться на любой планете, где лишь имеется плотная воздух. Что же случится в какой-нибудь произвольной точке Нашей системы — скажем, на Марсе — в случае если мы скинем на его поверхность спускаемый аппарат? Замедлить его падение в разреженной марсианской атмосфере совсем несложно.
Над ответом данной технической задачи вот уже двадцать лет, в течение которых земляне отправляют к Марсу космические суда, трудится эксперт по совокупностям управления летательных аппаратов инженер Роб Мэннинг из Лаборатории реактивного перемещения НАСА (JPL). Совместно со собственными сотрудниками он желает создать новое поколение спускаемых аппаратов — предвестников пилотируемых полетов на Марс.
И вот, через пара месяцев по окончании того, как в августе 2012 года марсоход Curiosity совершил мягкую посадку на поверхность Красной планеты, Мэннинг, занимавший пост главного инженера этого проекта, поведал о том, как проходила посадка аппарата. Он учел опыт посадки первых космических аппаратов на Марс Viking-1 и Viking-2, каковые сели на поверхность планеты соответственно в июне и августе 1976 года. Сперва аппараты понижались на огромных парашютах и по окончании включения тормозных двигателей мягко приземлились.
Дабы посадка прошла удачно, инженерам было нужно провести в 1972 году четыре тестовых опробования посадочных совокупностей на сверхзвуковых скоростях в условиях земной атмосферы на громадных высотах. Мэннинг стал везде в сети искать фотографии тех самых опробований начала семидесятых годов. И, вот, на каком-то из аукционных вебсайтов, что торгует редкими предметами, посвященными космической тематике, он наткнулся на фотографию каких-то коробок для 16-мм кинопленки.
Находка озадачила. Дело в том, что в свое время, трудясь над проектом космического аппарата Mars Pathfinder (что во второй половине 90-ых годов двадцатого века высадил на поверхность Красной планеты марсоход Sojourner), Мэннинг вместе с сотрудниками везде разыскивали ветхие записи опробований парашюта, проводившихся в начале 70-х годов: в тот раз первые три опробования окончились неудачей, и лишь четвертое выяснилось успешным. Оно проводилось на скорости, существенно превышавшей 2 Маха.
Кинопленку, на которой было запечатлено это решающее четвертое опробование, несколько Мэннинга нигде найти не смогла. Киноматериалы, отснятые компанией Lockheed Martin в Денвере, штат Колорадо, были стёрты с лица земли водой, а те, что были засняты в Исследовательском центре НАСА в Лэнгли, штат Вирджиния, куда-то пропали на протяжении одного из переездов компании в новый офис. Сохранилось множество отчетов, повествующих о тех опробованиях.
В национальном архиве кроме того где-то лежал видеоматериал о втором опробовании. Но желаемую кинопленку, на которой было заснято успешное опробование, на протяжении которого парашют раскрылся на сверхзвуковой скорости, отыскать не удалось. Мэннинг обратился, было, к обладателю одного из аукционных сайтов, но в том месте ему ответили, что кинопленка уже реализована, а информация о клиент предоставлена быть не имеет возможности.
Дорога к Марсу: как набирают в марсианские колонисты
BBC28.01.2015Марсианские хроники
The New Yorker22.04.2013
Мэннинга интересуют не марсоходы — он занят ответом совсем второй задачи: как посадить на марсианскую поверхность космический аппарат громадных размеров, талантливый доставить жилые модули и продовольствие в рамках пилотируемой программы. Для доставки таких космических аппаратов пригодятся парашюты, каких раньше никто не создавал, — более прочные и намного больших размеров. Эти парашюты должны раскрываться и выдерживать нагрузки на скорости, превышающей скорость звука вдвое, на высоте 34 мили — в том месте, где земная воздух более разреженная и напоминает марсианскую.
С момента проведения опробований парашютов в рамках программы Viking, состоявшихся сорок лет назад, никто ничего аналогичного не делал. Из-за чего? Обстоятельство несложна: опробования парашюта в земной воздухе — дело сверхсложное и дорогостоящее.
Да и необходимости в аналогичных опробованиях не было никакой. За те пара десятилетий, каковые прошли по окончании запуска программы Viking, НАСА послало на Марс еще пять космических аппаратов — Sojourner, Spirit, Opportunity, Phoenix и Curiosity. Все они доставлялись на поверхность планеты посредством парашютов, испытанных в аэродинамической трубе на дозвуковых скоростях. (Правда во второй половине 90-ых годов двадцатого века НАСА утратила космический аппарат Mars Polar Lander при посадке; среди возможных обстоятельств именуют преждевременное отключение тормозных двигателей.) Но парашют НАСА диаметром семьдесят футов, доработанный на протяжении аэродинамических опробований, достиг предела собственных возможностей: с его помощью на поверхность возможно посадить аппарат, весом не больше тонны (в 2012 году с его помощью на поверхность Марса посадили аппарат Curiosity).
В следующем десятилетии НАСА собирается отправить на Марс два вторых аппарата — InSight, старт которого намечен на 2018 год (запуск, запланированный на март 2016 года, отменен), и марсоход Mars 2020. Вес обоих не так велик, дабы для их посадки на марсианскую поверхность пригодились особые парашюты, разрабатываемые на данный момент.
Посадка аппарата Mars 2020 — а он, по сути, есть копией Curiosity, действительно, на нем установлена вторая научная аппаратура, — будет осуществляться в пара этапов: сперва при входе спускаемого аппарата с марсоходом на борту в воздух Красной планеты главной удар примет на себя теплозащитная оболочка, наряду с этим скорость падения снизится с 13 тысяч до одной тысячи миль в час. После этого, обязан раскрыться парашют, выдерживающий сверхзвуковые скорости; на этом этапе перегрузка будет равна примерно 9 G, в следствии чего скорость снизится еще больше — до 200 миль в час.
После этого, от спускаемого аппарата обязан отделиться лобовой теплозащитный экран, затем посадочная совокупность Skycrane (она представляет собой тяговую платформу на ракетных двигателях), отделится от спускаемого аппарата. Последний, со своей стороны, пролетев на парашюте оставшиеся пара десятков ярдов, доставит на поверхность планеты марсоход.
На Марсе наблюдаются сезонные колебания плотности воздуха. В первой половине 20-ых годов XXI века ее плотность увеличится, по данной причине вес космического корабля Mars 2020 кроме этого увеличится на пара сотен фунтов (если сравнивать с весом Curiosity), но он будет применять тот же самый парашют, что употреблялся при посадке Curiosity. Предполагается, что вес самого марсохода Mars 2020 будет значительно меньше веса спускаемого аппарата, в который его поместят.
Последний рекомендован для транспортировки еще более замечательной техники, талантливой доставлять обратно на Землю забранные с поверхности Марса образцы грунта. Когда-нибудь он сможет осуществлять транспортировку спускаемого аппарата с марсоходами, оборудованием и продовольствием, каковые полетят на Марс в рамках подготовки к осуществлению пилотируемых программ.
НАСА желает расширить размеры парашюта
В июне прошлого года Мэннинг и Ян Кларк сохраняли надежду, что повторные опробования нового парашюта диаметром сто футов пройдут удачно, но опробования провалились с треском. Конструкцию парашюта назвали «сверхзвуковым замедлителем для условий низкой плотности воздуха» (LDSD); он складывался из двух элементов и предназначался для посадки на поверхность Марса. Начиная с 2012 года и сейчас, LDSD все еще проходит стадию опробований.
На начальной стадии (тут парашют не использовался) все прошло безупречно, но на втором появились неприятности.
Неудачи вынудили Мэннинга с удвоенной силой взяться за поиски той ветхой кинопленки, на которой в начале 70-х годов были отсняты опробования аппарата Viking. И Мэннингу повезло. Оказалось, что человек, приобретший кинопленку на аукционе, подарил ее Музею Южной Флориды в Брейдентоне. (Кстати, в этом же месте расположен планетарий, оснащенный по окончательному слову техники, и аквариум, в котором живет «самый ветхий в мире ламантин» по кличке Снути).
Когда Мэннинг растолковал, для чего ему пригодилась кинопленка, сотрудники музея с удовольствием дали согласие дать ему эту реликвию.
Мэннинг и Кларк сохраняют надежду, что данный фильм — на данный момент его реставрирует и оцифровывает одна компания из Голливуда — окажет помощь ответить на следующий вопрос: по какой причине два парашюта различных конструкций, предназначенные для колонизации Марса, порвались в клочья на протяжении опробований на сверхзвуковых скоростях.
***
Итак, первый элемент LDSD — это так называемый сверхзвуковой надувной аэродинамический замедлитель. Он представляет собой надувную кевларовую конструкцию, которая охватывает спускаемый аппарат по краям, напоминая шину, надетую на колесо. Благодаря такому конструктивному ответу, скорость падения аппарата замедляется до величины 2 Маха.
Мы назвали эту надувную конструкцию «пончиком»; он существует в двух вариантах: «модель R» размером 20 футов, предназначенная для беспилотной посадки в автоматическом режиме, и «модель E» размером 26 футов (для миссии Exploration), предназначенная, по словам Кларка, с целью проведения полетов, осуществленных в рамках подготовки к проведению пилотируемой программы.
Вторым элементом LDSD есть парашют, что обязан замедлять падение аппарата, падающего со скоростью 2 Маха, в следствии чего, скорость понижается до дозвуковой. На завершающем этапе тяговая платформа на ракетных двигателях Skycrane аппарата Curiosity либо тормозные двигатели аппарата Viking медлено опускают космический аппарат на поверхность Марса.
Первое опробование данной конструкции в воздухе было совершено в Соединенных Штатах в июне 2014 года на Гавайских островах, около Кауаи на тихоокеанском испытательном полигоне ВМФ США; второе — в 2015-м. Из-за погодных условий в верхних слоях воздуха данной части Тихого океана благоприятный временной отрезок с целью проведения опробования образовывает всего 20 дней; благоприятное время постоянно наступает в июне.
Аппарат, похожий на блюдце шириной 15 футов и весом 6800 фунтов (посадочные модули будут смотреться как раз так), при помощи воздушного шара был поднят на высоту 120 тысяч футов. После этого он был отсоединен от воздушного шара и включил реактивные двигатели, каковые развили скорость 4 Маха, подняв аппарат на высоту 180 тысяч футов; наряду с этим, угол атаки изменился и аппарат полетел параллельно Почва.
После этого начался опыт: реактивные двигатели выключились и «пончик» начал надуваться, охватывая блюдце, как будто бы шина колесо. (Добавим, что проводились опробования уменьшенной модели — «R»; модификацию громадных размеров еще не испытывали.) По окончании того, как «пончик» раздулся, скорость падения аппарата упала примерно до величины 2,4 Маха. Сейчас особое устройство раскрыло так именуемую тормозящую надувную сферу, либо «баллут» («баллут» — это устройство торможения, которое представляет собой гибрид парашюта и воздушного шара): сперва надулась сфера, после этого раскрылся парашют, что должен был замедлить падение «блюдца» и тем самым не допустить его твёрдое столкновение с поверхностью Тихого океана.
При проведении двух опробований «пончик» продемонстрировал себя великолепно, с его помощью удалось замедлить скорость падения до расчетной. Баллут кроме этого отработал на удивление прекрасно. В спускаемых аппаратах прошлых предположений употреблялся особый механизм, представлявший собой, по словам Кларка, «громадную пушку, которая выстреливает хорошо упакованным парашютом в сторону, противоположную падению космического корабля».
Но данную разработку на борту летающего «блюдца» решили не применять. Вместо этого, твердотопливные ракетные двигатели решено было установить в центре конструкции, а пушку, выстреливающую парашют, — сбоку. Благодаря такому размещению пушки — не в центре, а сбоку — космический аппарат совершает кувырок.
При создании баллута употреблялись разработки ВВС Соеденненых Штатов и НАСА 1960-х годов. Баллут создали скоро; времени на его тестирование перед тем, как его интегрировали с LDSD для полета в мезосфере, не оставалось.
За чемь дней до первых опробований на сверхзвуковых скоростях, совершённых на Гавайях, Кларку снились кошмарные сны; ему мерещилось, словно бы он сидит в центре управления полетом и видит, что баллут не раздувается, а парашют не раскрывается. «Но на деле само изделие удалось на славу», — поясняет Кларк. Кошмарные сны о том, как парашют разрывается в клочья, закончились.
«Процесс раскрытия парашюта был не таким несложным, как нам сначала казалось, — говорит Мэннинг. — До недавнего времени мы пологали, что большое напряжение парашют испытывает в тот момент, в то время, когда он всецело раскрыт… Но прошлым летом мы осознали, что неправы. Оказывается, что ткань парашюта натягивается сама по себе, кроме того в том случае, в то время, когда стропы очень сильно не натянуты. Она может порваться из-за огромной скорости раскрытия».
Не обращая внимания на то, что на протяжении опробований парашют все-таки порвался в клочья, инженерам удалось в первый раз взять запись красивого качества, на которой запечатлен процесс раскрытия сверхзвукового парашюта. По словам Кларка, парашюты данной конструкции употребляются для полетов на Марс уже в течении сорока лет, но до сих пор не получалось зафиксировать те процессы, каковые происходят на протяжении опробований на сверхзвуковых скоростях. «Мы заметили, как процесс раскрытия парашюта непредсказуем», — додаёт Кларк.
***
Диаметр парашюта LDSD на пятьдесят процентов превышал диаметр парашюта, установленного на Curiosity. Вследствие этого LDSD не помещался в аэродинамической трубе, намерено выстроенной для опробования парашютов, каковые конструкторы планировали установить на всех космических аппаратах, предназначенных для изучения Марса и показавшихся по окончании полета аппарата Vikin». Исходя из этого команде разработчиков было нужно перенести опробования в калифорнийскую пустыню Мохаве на полигон авиабазы ВМФ «Чайна Лэйк».
Вот как все это происходило: к испытательной площадке протянута ЖД ветка длиной 4,2 мили, по которой ходят металлические сани на реактивной тяге; к саням был прикреплен LDSD. На протяжении опробований реактивные сани разгонялись и, буксируя LDSD на высокой скорости, в конце пути врезались в закрепленный объект. Если сравнивать с опробованиями в воздухе Почвы, опробования в пустыне Мохаве сопряжены с меньшим риском, а затраты на их проведение ниже.
В 2014 году были сперва совершены опробования на дозвуковой скорости. Они проходили следующим образом: реактивные сани разгонялись, достигая дозвуковой скорости, и тянули за собой привязанный к ним «пончик». По окончании успешного завершения опробования эксперты уже планировали было переходить к следующему этапу — опробованиям на сверхзвуковой скорости, но сильный ветер остановил эту выдумку.
По окончании первой неудачи и за два месяца до второго опробования на сверхзвуковых скоростях, команда проектировщиков возвратилась на полигон «Чайна Лэйк». В этом случае прочность парашюта была увеличена посредством дополнительных нейлона и слоёв кевлара. Помимо этого, были внесены кое-какие конструктивные трансформации, благодаря которым парашют стал более устойчивым и легко управляемым.
Был кроме этого создан запасной парашют, причем оба с успехом прошли опробования на дозвуковых скоростях — данный факт не имел возможности не вдохновить конструкторов.
Второй испытательный полет, совершённый на Гавайях, был успешнее первого — сейчас парашют разорвался уже через 0,6 секунд по окончании собственного раскрытия. «Сперва он всецело раскрылся, а позже, внезапно, вздумал порваться», — говорит Мэннинг. Неясно из-за чего, но парашют начал разрываться на части при натяжении около 80 тысяч фунтов, не смотря на то, что опробования на реактивных санях продемонстрировали, что он должен был вынести натяжение, по крайней мере, 120 тысяч фунтов. В случае если раньше эксперты НАСА полагали, что для успешной посадки на марсианскую поверхность парашюты достаточно протестировать на дозвуковых скоростях, то совершённые опробования поставили данный подход под сомнение.
«Как раз таким методом мы проводим опробования в течении многих лет. Но два раза подряд вышли осечки, — говорит Мэннинг. — И данный факт нас озадачил». Практически сразу после второго опробования в конструкцию были внесены новые трансформации, обеспечившие прочность парашюта, но по окончании неудачного опробования остались одни вопросы без ответа. «Возможно, отечественные парашюты и не так хороши, но так как все эти долгие годы мы используем их на Марсе, и они нас еще ни разу не подводили», — говорит Мэннинг.
Мэннинг уверенный в том, что оба опробования была неудачными по причине того, что парашюты раскрывались на стремительной скорости. Все дело в том, что между двумя процессами — раскрытием парашюта на сверхзвуковой скорости (в условиях, характерных для нижних слоев воздуха) и на дозвуковых скоростях (в плотных слоях воздуха у поверхности Почвы) — мало неспециализированного. Процесс раскрытия парашюта на сверхзвуковой скорости во многом противоречит всему, что было известно об этом со времен Леонардо да Винчи.
Совершить компьютерный опыт не удается, потому, что приходится учитывать много параметров. И все же, кое-кто все же пробует применять способы компьютерного моделирования. Так, на данный момент ведутся работы по моделированию падения парашюта в воздухе, но, по словам начальника проекта по изучению аэродинамики парашютов Марка Адлера, пройдет еще много лет, перед тем как способы математического моделирования будут совсем доведены до ума.
По словам Адлера, трудность содержится в том, что нужно будет корректно выяснить спектр обтекания, обусловленный перемещением парашюта. Так, поведение парашюта и спектр обтекания нужно всегда корректировать на малых промежутках времени, что есть сверхсложной задачей. На данный момент этого нельзя сделать кроме того с применением самых замечательных компьютеров и передового ПО«.
Перед тем, как команда возвратится на Гавайские острова с целью проведения третьего опробования на громадных высотах, конструкторам нужно будет совершить серию дополнительных опробований, дабы как возможно правильнее смоделировать падение сверхзвукового парашюта. С целью этого они собираются запустить со стартовой площадки Уоллопс в штате Виргиния двухступенчатые метеорологические ракеты, а после этого постараются замедлить падение этих ракет, летящих на сверхзвуковой скорости, посредством парашюта.
На борту ракет будут установлены 3D-камеры, благодаря которым эксперты смогут замечать, как изменяется форма парашюта в момент его раскрытия. Именно поэтому, разработчики смогут определять распределение нагрузок с промежутком в одну миллисекунду.
Потому, что вес метеорологической ракеты легче веса летающего «блюдца», испытанного над Негромким океаном, возможно обойтись парашютом меньших размеров. Так, по словам Мэннинга, парашют размером сто футов сможет всецело затормозить падение ракеты кроме того до того момента, как всецело раскроется его купол. Так, инженеры, вероятнее, воспользуются парашютами диаметром 53 фута, каковые в свое время были установлены на Curiosity; это будут первые опробования парашютов аналогичного размера, совершённые спустя десятилетия по окончании полета аппаратов Viking на Марс.
По словам Адлера, эти парашюты пройдут опробования в аэродинамической трубе и на протяжении пусков метеорологических ракет. Конструкторы желали бы проанализировать, при каких условиях происходит разрыв парашютов на протяжении летных опробований в воздухе и в аэродинамической трубе. «Когда нам удастся определить предельные нагрузки, — говорит Адлер, — вот тогда мы и осознаем, на каком из этапов появляется пороговый отказ». Перед собственной поездкой на Гавайские острова команда инженеров заснимет шесть опробований с участием метеорологических ракет и шесть опробований в аэродинамической трубе.
По словам Адлера, нужно «осознать, как направляться сравнивать дозвуковые опробования со сверхзвуковыми». Адлер напомнил, что при подготовке миссий Pathfinder, Mars Exploration Pathfinder и Curiosity наблюдались неприятности с конструированием парашютов, но, в конечном итоге, все они с успехом отработали на протяжении полетов на Марс. «Иначе, — добавил Адлер, — на протяжении тех космических полетов парашюты выдерживали нагрузки в половину предельной, а на протяжении полета на Марс они ни при каких обстоятельствах не нагружались до предела. Оставался еще некий скрытый запас прочности… Быть может, именно он нас и спасет».
Мэннинг никак не имеет возможности растолковать, по какой же причине эти дозвуковые парашюты прекрасно отработали на Марсе. «Возможно, разгадка близко, но пока что мы ее не нашли», — говорит он.
По словам Адлера, за их работой внимательно замечают конструкторы-разработчики миссий InSight и Mars 2020, и разработчики проекта LDSD, офис которых также находится в строении Лаборатории реактивного перемещения (JPL). Адлер попросил разработчиков миссии Mars 2020 об одном одолжении — дать ему камеру чтобы с ее помощью отснять поведение парашюта на протяжении настоящей посадки на Красную планету.
Итак, киномарафон длится: между ветхим фильмом, на котором были отсняты опробования по программе Viking, и тем фильмом, на котором будет запечатлен полет на Марс, отличие в полстолетия. Возможно, когда-нибудь мы заметим фильм, в котором нам, наконец-то, продемонстрируют, как первые космонавты расселяются в зданиях, доставленных на поверхность Красной планеты посредством парашюта.
