Марс: взлет - посадка

Удачное "приземление" 6 августа марсохода Curiosity является большим шагом вперед на пути отправки людей на Красную планету. Применяя накопленный опыт лунных экспедиций, а также роботизированных миссий на Марс, ученые и инженеры НАСА изучают проблемы и риски, связанные с посадкой космических аппаратов на любую внеземную поверхность

По мнению исследовательской группы, работающей в  Космическом центре Кеннеди НАСА во Флориде, наилучшим вариантом является технология, известная как "вертикальный взлет-вертикальная посадка", использующая заранее подготовленную площадку.


"Одной из самых больших проблем при посадке астронавтов кораблей Аполлон на Луну была завеса из пыли, камней и щебня, которая заслонила обзор во время финальной части спуска", - говорит  Роб Мюллер (Rob Mueller), старший технолог группы отдела систем поверхностных структур Космического центра Кеннеди НАСА  и  со-ведущий пилотируемых программ НАСА лунного назначения.

Когда лунные модули Аполлонов достигали 30 - метровой высоты, то из-за пыли, как в тумане, трудно было разглядеть место посадки.

Луна, Море спокойствия, июль 1969 года

Ученые и инженеры НАСА, изучая снимки внеземных посадок космических аппаратов, особое внимание обращают на состояние поверхности.

Базз Олдрин у лунного модуля "Орел", июль 1969 г.

Посадка лунного модуля "Орел" в 1969 году могла закончится трагически, так как площадка выбиралась астронавтами на этапе спуска к поверхности Луны. На высоте около 460 м Армстронг увидел, что автопилот ведёт корабль в точку на ближнем краю большого кратера, окружённого полем валунов до 2 - 3 метров в поперечнике.  Армстронг быстро понял, что посадить «Орёл» в достаточно безопасном месте, не долетая кратера, не удастся. Он решил его перелететь, рискуя навсегда остаться на Луне, поскольку   на такой маневр расход топлива не предусматривался, а его остаток снизился до критического уровня. На высоте 12 метров Олдрин доложил, что поднимается лунная пыль. Но он редко смотрел в иллюминатор. Армстронг же на послеполётном опросе говорил, что впервые заметил поднимающуюся пыль на высоте чуть меньше 30 м. Сначала это выглядело как прозрачный  лист летящей пыли, который немного ухудшал видимость. По мере снижения корабля  видимость становилась всё хуже. По словам Армстронга, визуальному определению высоты   это не очень мешало, но в густой пелене движущейся летящей пыли было очень сложно следить за статичными камнями и, соответственно, определять вертикальную и горизонтальную скорости.

Аналогичную картину можно видеть на фотографиях, показывающих снижение спускаемого аппарата Curiosity, во время которого раскаленные струи газа реактивных двигателей "небесного крана" подняли пыль и более крупные частицы верхнего слоя марсианской поверхности.

При спуске MSL завис при помощи ракетных двигателей, и "небесный кран" мягко опустил  "Curiosity" на поверхность на тросах длиною 25 футов (7,62 метра).

Ветровые датчики ("усики") на мачте Curiosity

Во время посадки был поврежден датчик метеорологической станции робота, который получает данные о ветре.Расследование показало, что из самого датчика торчат небольшие, вероятно, оголенные провода. Починить такую поломку невозможно. Никто не знает наверняка, как это случилось, но инженеры предполагают, что тонкие провода мог повредить гравий, подброшенный вверх в момент приземления марсохода, когда  сработали реактивные сопла.

Мюллер и его команда разрабатывают технологии создания посадочных площадок при помощи роботов для обеспечения будущих пилотируемых полетов на Луну или Марс.  Эти специально построенные посадочные площадки могут значительно снизить  выброс частиц грунта и пыли с поверхности планеты при спуске и, тем самым, повысить безопасность посадки для астронавтов.

"По нашим оценкам работа двигателей спускаемых аппаратов кораблей Аполлон произвела выброс до одной с половиной тонн щебня и грунта. Ситуация будет еще более сложной при посадке людей на Марс. Реактивные струи ракетных двигателей выроют глубокую яму под спускаемом аппаратом и произведут разрыхление грунта", - сказал сказал д-р Фил Мецгер (Phil Metzger), физик Лаборатории исследований  гранулированной механики и реголита Центра Кеннеди.

"Мы не знаем какого-либо другого способа сделать это безопасно, если не использовать подготовленные посадочные площадки",- продолжил Мецгер.

11 марта 2004 года марсоход Спирит достиг кратера Бонневиль

Строительство посадочной площадки заблаговременно до прибытия человека является составной частью плана. Специальные роботы прибудут на место посадки, расчистят и выровняют площадку и произведут стабилизацию грунта, чтобы он смог выдержать ударное воздействие огненного ракетного шлейфа.

На снимке зафиксирован момент, когда MSL находился около 20 метров над поверхностью. Облако пыли образовалось от зависшего над ровером Небесного крана. Это первое изображение последствий работы ракетного двигателя на Марсе. Снимок также показывает и  мобильность порошкообразной пыли на его поверхности. Одно из первых цветных фото, отправленных MSL, было принято на Земле за 30 секунд до посадки.

Другой вариант предусматривает расчистку поверхности до коренных пород, чтобы получить прочное основание. Для стабилизации грунта могут быть использованы специальные покрытия из соответствующих материалов.

Дополнительным средством обеспечения надежной посадки будет размещение по периметру площадки маяков самонаведения. Маяки отслеживания и самонаведения помогут космическим аппаратам достичь конкретного места, где сооружена площадка приземления.

Частицы грунта на палубе Curiosity

Подобная технология обеспечения посадки может быть отработана и усовершенствована на Земле задолго до ее применения в других местах Солнечной системы.

"Несколько коммерческих космических компаний уже обсуждают возвращение носителей на мыс Канаверал с целью уменьшения стоимости отправки полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту," -  сказал Мюллер. Вместо падения в океан, ракета будет садится вертикально для повторного использования.

Проектирование посадочных площадок потребует разработку передовых технологий, а также определения их оптимальных размеров.

Посадка Mars Pathfinder 4 июля 1997 г.

Одним из факторов, которые должны при этом учитываться, является состояние атмосферы места посадки.

Земля имеет плотную атмосферу, которая фокусирует реактивный шлейф на поверхности и уменьшает область выброса грунта.

Плотность атмосферы Марса составляет 1% от земной. Шлейф газов также будет направляться узкой струей, но встретит меньшее сопротивление и разброс грунта увеличится. 

Миссия Аполлон-11

На Луне нет атмосферы. Вследствие этого шлейф не будет концентрироваться и глубокой выемки в поверхности образовываться не будет. Однако, поднятый грунт будет отброшен на большое расстояние с высокой скоростью.



По мнению Мецгера, площадка должна быть от 50 до 100 метров в диаметре. Покрытие из специального материала должно располагаться в центре, чтобы принять на себя удар раскаленного шлейфа. На периферии покрытие должно обеспечить устойчивость спускаемого аппарата.

Марс, равнина Утопия. Фото Викинг-2, 1975 г. 

Другой вопрос в том, какие материалы должны применяться в строительстве посадочных площадок.


Испытания моделей спускаемых аппаратов подтвердили более высокую безопасность приземления на специально оборудованные площадки, чем на природную поверхность, так как последняя является источником опасных обломков.

Сверхзвуковые выхлопы раскаленных газов ракетных двигателей сильно разогревают поверхность посадки. Об использовании асфальта или бетона не может быть и речи, так как под воздействием высокой температуры они разрушаются и кусками разлетаются во всех направлениях.

Тепловой щит Curiosity

Теплозащитный слой на Аполлоне

Научная группа провела исследования, во время которых модели спускаемых аппаратов вертикально взлетали и садились на площадки, оборудованные покрытиями из различных материалов. Было протестировано несколько видов материалов, наиболее хорошо проявила себя смесь порошка базальта с полимерными материалами.

Но наиболее перспективным признано покрытие из материалов, применяемых для тепловой защиты космических кораблей. "Из всех веществ, которые мы изучали, абляционные материалы, похоже, работают лучше,"- сказал Мецгер.

Абляционная защита - технология защиты космических кораблей на основе абляционных материалов, конструктивно состоит из силового набора элементов(асбестотекстолитовые кольца) и «обмазки», состоящей из фенолформальдегидных смол или аналогичных по характеристикам материалов. Температура корабля при входе в плотные слои атмосферы достигает нескольких тысяч градусов, абляционная защита в таких условиях постепенно сгорает, разрушается, и  уносится потоком, таким образом отводя тепло от корпуса аппарата. Абляционная теплозащита использовалась в конструкции всех спускаемых аппаратов с первых лет развития космонавтики - в сериях

кораблей «Восток», «Восход», «Меркурий», «Джемини», «Аполлон», и продолжает

использоваться в кораблях «Союз» и «Шэньчжоу».  Альтернативой абляционной теплозащите является использование термостойких теплозащитных плиток («Шаттл», «Буран»). (Википедия)

До пилотируемого полета на Марс еще много лет, но, по словам Мюллера, "Сейчас самое время начать проектирование посадки на другой планете. На разработку технологии, которой мы в настоящее время занимаемся, уйдет от 10 до 15 лет. Мы должны начать проверку того, что эти концепции будут работать, и именно поэтому мы уже приступили к исследованиям".

                                             База на Марсе                        Иллюстрация НАСА

А пока марсоход Curiosity продолжает свой путь в область Гленелг. Несмотря на поломку при посадке одного из датчиков ветра, "приемник" погоды REMS работает исправно.

На 26 сентября (сол 50) ровер проехал 49 метров по направлению в Гленелг. Общее расстояние, пройденное марсоходом с 5 августа, составило 416 метров.

Марсоход Curiosity нашел древние русла рек на поверхности Марса. 

Источник: NASA