Все новости

Инженеры NASA предложили исследователям Марса сэкономить на парашютах и садиться на ракетной тяге. А оптимальный способ посадки «на хвосте пламени» они уже рассчитали

Инженеры из США призвали отказаться от парашютов при планировании посадки на Марс. Взамен они рассчитали несколько сценариев спуска при помощи ракетных двигателей и выяснили, как максимизировать массу доставляемого на планету груза.
Описание
© NASA

Подробности приводятся в пресс-релизе Университета Иллинойса, который, в свою очередь, пересказывает статью исследователей Journal of Spacecraft and Rockets. Работавшие по заказу NASA специалисты рассмотрели спуск из космоса на поверхность планеты, выделив в нем гипер- и сверхзвуковой участки, на которых можно использовать разные способы управления полетом.

Термином «сверхзвуковой полет» называют перемещение в атмосфере со скоростью, которая выше скорости звука, но не более, чем в пять раз. При такой скорости тело создает ударную волну, которая забирает часть энергии, и на него существенно возрастают нагрузки, создаваемые потоком воздуха. Переход авиации на сверхзвук потребовал целого ряда решений вроде изменения формы крыльев, хвостового оперения или всего самолета в целом.

Переход же к гиперзвуковому движению означает не только еще большие нагрузки, но и появление новых физических эффектов. Воздух начинает разогреваться до такой температуры, что может даже превращаться в плазму, и на очень высоких скоростях — при посадке на планету, например, — основную роль в тепловом балансе начинает играть излучение. Создание аппаратов, способных благополучно пережить столкновение с атмосферой, полет в облаке плазмы, а после всего этого — совершить мягкую посадку, было и остается по сей день сложной инженерной задачей. Эта задача в случае с Марсом осложняется разреженностью газовой оболочки Красной планеты.

Новые расчеты были призваны показать, на каком этапе спуска требуется запустить тормозные ракетные двигатели для максимизации доставляемой массы. Выяснилось, что наибольшей экономии топлива (и, следовательно, наибольшей полезной нагрузки) можно достичь, отказавшись от точной посадки и снизив потребность в точном маневрировании. Но это только один, и притом довольно тривиальный вывод. Если, скажем, первую партию груза для пилотируемой экспедиции можно сбросить более-менее случайным образом внутри заданного района, то вот летящим следом людям важно оказаться рядом с припасами, а не в сотнях километров от них.

Для экономии топлива ученые предложили довольно сложную схему.

Аппарат, входящий в атмосферу, должен сначала включить двигатели на короткое время — и нырнуть вниз.

Это решение, на первый взгляд, противоречит здравому смыслу (для торможения спускаемого аппарата стоило бы направлять тягу вверх), однако оно позволяет быстрее оказаться в плотных слоях атмосферы.

Там, наклоняя сам корпус корабля, можно скорректировать траекторию в гиперзвуковом режиме и снова включить двигатели, направив аппарат практически параллельно поверхности. В таком режиме он будет эффективно тормозиться за счет сопротивления воздуха (или, точнее, разреженного газа), уменьшая потребность в дорогом ракетном топливе.

Топливо, которое на Земле стоит относительно дешево, на Марсе оказывается буквально золотым из-за стоимости доставки. Килограмм марсохода Curiosity на момент отправки обошелся втрое дороже драгоценного металла, а перелетный модуль вместе с топливом, теплозащитным щитом и всем прочим стоил лишь немногим дешевле — примерно $ 38 тысяч за кило против $ 55 тысяч за кило золота (на момент запуска). Чем больше тратится топлива, тем выше цена миссии, и, кроме того, слишком тяжелый аппарат к Марсу просто не поднимет ракета-носитель.

Садиться на Марс без парашютов планирует и Илон Маск. Его новая ракета BFR пока что находится в стадии проектирования и разработки отдельных узлов. Так, недавно был представлен публике прототип второй ступени для отработки вертикального приземления, а двигатели Raptor на очередных огневых испытаниях якобы побили принадлежавший до этого российскому РД-180 рекорд давления в камере сгорания (главный конструктор НПО «Энергомаш» в корректности критериев «побития» усомнился).

 Алексей Тимошенко