Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ
Что же произойдет в какой-нибудь произвольной точке Солнечной системы — скажем, на Марсе — если мы сбросим на его поверхность спускаемый аппарат? Замедлить его падение в разреженной марсианской атмосфере совсем несложно. Над решением этой технической задачи вот уже двадцать лет — все то время, что земляне посылают к Марсу космические корабли, — работает инженер Роб Мэннинг.
Более пятисот лет тому назад Леонардо да Винчи набросал схему парашюта: обтянутый тканью жесткий каркас пирамидальной формы, замедляющий скорость падения. Да Винчи его так и не создал, зато в более поздние времена его идею с успехом воплотили другие. Четыре столетия спустя после смерти великого итальянца принцип действия парашюта не изменился: трение воздуха, замедляющее падение.
И этот принцип, по мысли да Винчи, должен работать на любой планете, где только есть плотная атмосфера. Что же произойдет в какой-нибудь произвольной точке Солнечной системы — скажем, на Марсе — если мы сбросим на его поверхность спускаемый аппарат? Замедлить его падение в разреженной марсианской атмосфере совсем несложно.
Над решением этой технической задачи вот уже двадцать лет, в течение которых земляне посылают к Марсу космические корабли, работает специалист по системам управления летательных аппаратов инженер Роб Мэннинг из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL). Вместе со своими коллегами он хочет создать новое поколение спускаемых аппаратов — предвестников пилотируемых полетов на Марс.
И вот, через несколько месяцев после того, как в августе 2012 года марсоход Curiosity совершил мягкую посадку на поверхность Красной планеты, Мэннинг, занимавший пост главного инженера этого проекта, рассказал о том, как проходила посадка аппарата. Он учел опыт посадки первых космических аппаратов на Марс Viking-1 и Viking-2, которые сели на поверхность планеты соответственно в июне и августе 1976 года. Сначала аппараты снижались на огромных парашютах и после включения тормозных двигателей мягко приземлились.
Чтобы посадка прошла удачно, инженерам пришлось провести в 1972 году четыре тестовых испытания посадочных систем на сверхзвуковых скоростях в условиях земной атмосферы на больших высотах. Мэннинг стал повсюду в Интернете искать фотографии тех самых испытаний начала семидесятых годов. И, вот, на каком-то из аукционных вебсайтов, который 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, работая над проектом космического аппарата Mars Pathfinder (который в 1997 году высадил на поверхность Красной планеты марсоход Sojourner), Мэннинг вместе с коллегами повсюду разыскивали старые видеозаписи испытаний парашюта, проводившихся в начале 70-х годов: в тот раз первые три испытания окончились неудачей, и только четвертое оказалось успешным. Оно проводилось на скорости, значительно превышавшей 2 Маха. Кинопленку, на которой было запечатлено это решающее четвертое испытание, группа Мэннинга нигде отыскать не смогла. Киноматериалы, отснятые компанией Lockheed Martin в Денвере, штат Колорадо, были уничтожены водой, а те, что были засняты в Исследовательском центре НАСА в Лэнгли, штат Вирджиния, куда-то пропали во время одного из переездов компании в новый офис. Сохранилось множество отчетов, повествующих о тех испытаниях. В государственном архиве даже где-то лежал отснятый материал о втором испытании. Но желаемую кинопленку, на которой было заснято успешное испытание, в ходе которого парашют раскрылся на сверхзвуковой скорости, найти не удалось. Мэннинг обратился, было, к владельцу одного из аукционных сайтов, однако там ему ответили, что кинопленка уже продана, а информация о покупателе предоставлена быть не может.
Мэннинга интересуют не марсоходы — он занят решением совсем другой задачи: как посадить на марсианскую поверхность космический аппарат больших размеров, способный доставить продовольствие и жилые модули в рамках пилотируемой программы. Для доставки таких космических аппаратов понадобятся парашюты, каких раньше никто не создавал, — более прочные и гораздо больших размеров. Эти парашюты должны раскрываться и выдерживать нагрузки на скорости, превышающей скорость звука в два раза, на высоте 34 мили — там, где земная атмосфера более разреженная и напоминает марсианскую.
С момента проведения испытаний парашютов в рамках программы Viking, состоявшихся сорок лет назад, никто ничего подобного не делал. Почему? Причина проста: испытания парашюта в земной атмосфере — дело очень сложное и дорогостоящее. Да и необходимости в подобных испытаниях не было никакой. За те несколько десятилетий, которые прошли после запуска программы Viking, НАСА отправило на Марс еще пять космических аппаратов — Sojourner, Spirit, Opportunity, Phoenix и Curiosity. Все они доставлялись на поверхность планеты с помощью парашютов, испытанных в аэродинамической трубе на дозвуковых скоростях. (Правда в 1999 году НАСА потеряла космический аппарат Mars Polar Lander при посадке; среди вероятных причин называют преждевременное отключение тормозных двигателей.) Но парашют НАСА диаметром семьдесят футов, доработанный в ходе аэродинамических испытаний, достиг предела своих возможностей: с его помощью на поверхность можно посадить аппарат, весом не больше тонны (в 2012 году с его помощью на поверхность Марса посадили аппарат Curiosity).
В следующем десятилетии НАСА планирует отправить на Марс два других аппарата — InSight, старт которого намечен на 2018 год (запуск, запланированный на март 2016 года, отменен), и марсоход Mars 2020. Вес обоих не настолько велик, чтобы для их посадки на марсианскую поверхность понадобились специальные парашюты, разрабатываемые в настоящий момент. Посадка аппарата Mars 2020 — а он, по сути, является копией Curiosity, правда, на нем установлена другая научная аппаратура, — будет осуществляться в несколько этапов: сначала при входе спускаемого аппарата с марсоходом на борту в атмосферу Красной планеты основной удар примет на себя теплозащитная оболочка, при этом скорость падения снизится с 13 тысяч до одной тысячи миль в час. Затем, должен раскрыться парашют, выдерживающий сверхзвуковые скорости; на этом этапе перегрузка составит около 9 G, в результате чего скорость снизится еще больше — до 200 миль в час. Затем, от спускаемого аппарата должен отделиться лобовой теплозащитный экран, после этого посадочная система Skycrane (она представляет собой тяговую платформу на ракетных двигателях), отделится от спускаемого аппарата. Последний, в свою очередь, пролетев на парашюте оставшиеся несколько десятков ярдов, доставит на поверхность планеты марсоход.
На Марсе наблюдаются сезонные колебания плотности атмосферы. В 2020 году ее плотность увеличится, по этой причине вес космического корабля Mars 2020 также увеличится на несколько сотен фунтов (по сравнению с весом Curiosity), но он будет использовать тот же самый парашют, который использовался при посадке Curiosity. Предполагается, что вес самого марсохода Mars 2020 будет намного меньше веса спускаемого аппарата, в который его поместят. Последний предназначен для транспортировки еще более мощной техники, способной доставлять обратно на Землю взятые с поверхности Марса образцы грунта. Когда-нибудь он сможет осуществлять транспортировку спускаемого аппарата с марсоходами, продовольствием и оборудованием, которые полетят на Марс в рамках подготовки к осуществлению пилотируемых программ.
НАСА хочет увеличить размеры парашюта
В июне прошлого года Мэннинг и Ян Кларк надеялись, что повторные испытания нового парашюта диаметром сто футов пройдут успешно, но испытания провалились с треском. Конструкцию парашюта назвали «сверхзвуковым замедлителем для условий низкой плотности атмосферы» (LDSD); он состоял из двух элементов и предназначался для посадки на поверхность Марса. Начиная с 2012 года и по сей день, LDSD все еще проходит стадию испытаний. На первом этапе (здесь парашют не применялся) все прошло безупречно, однако на втором возникли проблемы.
Неудачи заставили Мэннинга с удвоенной силой взяться за поиски той старой кинопленки, на которой в начале 70-х годов были отсняты испытания аппарата Viking. И Мэннингу повезло. Оказалось, что человек, купивший кинопленку на аукционе, подарил ее Музею Южной Флориды в Брейдентоне. (Кстати, в этом же месте расположен планетарий, оснащенный по последнему слову техники, и аквариум, в котором живет «самый старый в мире ламантин» по кличке Снути). Как только Мэннинг объяснил, зачем ему понадобилась кинопленка, сотрудники музея с радостью согласились отдать ему эту реликвию.
Мэннинг и Кларк надеются, что этот фильм — в настоящий момент его реставрирует и оцифровывает одна компания из Голливуда — поможет ответить на следующий вопрос: по какой причине два парашюта разных конструкций, предназначенные для колонизации Марса, порвались в клочья в ходе испытаний 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 решению, 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, для проведения полетов, осуществленных в рамках подготовки к проведению пилотируемой программы.
Вторым элементом LDSD является парашют, который должен замедлять падение аппарата, падающего со скоростью 2 Маха, в результате чего, скорость снижается до дозвуковой. На завершающем этапе тяговая платформа на ракетных двигателях Skycrane аппарата Curiosity или тормозные двигатели аппарата Viking плавно опускают космический аппарат на поверхность Марса.
Первое испытание этой конструкции в атмосфере было проведено в США 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 атмосферы этой части Тихого океана благоприятный промежуток времени для проведения испытания составляет всего три недели; благоприятное время всегда наступает в июне.
Аппарат, похожий на блюдце шириной 15 футов и весом 6800 фунтов (посадочные модули будут выглядеть именно так), при помощи воздушного шара был поднят на высоту 120 тысяч футов. Затем он был отсоединен от воздушного шара и включил реактивные двигатели, которые развили скорость 4 Маха, подняв аппарат на высоту 180 тысяч футов; при этом, угол атаки изменился и аппарат полетел параллельно Земле. Затем начался эксперимент: реактивные двигатели выключились и «пончик» стал надуваться, охватывая блюдце, словно шина колесо. (Добавим, что проводились испытания уменьшенной модели — «R»; модификацию больших размеров еще не испытывали.) После того, как «пончик» раздулся, скорость падения аппарата упала приблизительно до величины 2,4 Маха. В этот момент специальное устройство раскрыло так называемую тормозящую надувную сферу, или «баллут» («баллут» — это устройство торможения, которое представляет собой гибрид воздушного шара и парашюта): сначала надулась сфера, затем раскрылся парашют, который должен был замедлить падение «блюдца» и тем самым предотвратить его жесткое столкновение с поверхностью Тихого океана.
При проведении двух испытаний «пончик» показал себя великолепно, с его помощью удалось замедлить скорость падения до расчетной. Баллут также отработал на удивление хорошо. В спускаемых аппаратах предыдущих версий использовался специальный механизм, представлявший собой, по словам Кларка, «большую пушку, которая выстреливает плотно упакованным парашютом в сторону, противоположную падению космического корабля». Однако данную технологию на борту летающего «блюдца» решили не использовать. Вместо этого, твердотопливные ракетные двигатели решено было установить в центре конструкции, а пушку, выстреливающую парашют, — сбоку. Благодаря такому расположению пушки — не в центре, а сбоку — космический аппарат совершает кувырок.
При создании баллута использовались разработки ВВС США и НАСА 1960-х годов. Баллут создали быстро; времени на его тестирование перед тем, как его интегрировали с LDSD для полета в мезосфере, не оставалось. За неделю до первых испытаний на сверхзвуковых скоростях, проведенных на Гавайях, Кларку снились кошмарные сны; ему мерещилось, будто он сидит в центре управления полетом и видит, что баллут не раздувается, а парашют не раскрывается. «Однако на деле само изделие удалось на славу», — поясняет Кларк. Кошмарные сны о том, как парашют разрывается в клочья, прекратились.
«Процесс раскрытия парашюта оказался не таким простым, как нам поначалу казалось, — говорит Мэннинг. — До недавнего времени мы думали, что максимальное напряжение парашют испытывает в тот момент, когда он полностью раскрыт… Однако прошлым летом мы поняли, что неправы. Оказывается, что ткань парашюта натягивается сама по себе, даже в том случае, когда стропы сильно не натянуты. Она может порваться из-за огромной скорости раскрытия».
Несмотря на то, что во время испытаний парашют все-таки порвался в клочья, инженерам удалось впервые получить видеозапись прекрасного качества, на которой запечатлен процесс раскрытия сверхзвукового парашюта. По словам Кларка, парашюты данной конструкции используются для полетов на Марс уже на протяжении сорока лет, но до сих пор не удавалось зафиксировать те процессы, которые происходят во время испытаний на сверхзвуковых скоростях. «Мы увидели, насколько процесс раскрытия парашюта непредсказуем», — добавляет Кларк.
***
Диаметр парашюта LDSD на пятьдесят процентов превышал диаметр парашюта, установленного на Curiosity. Из-за этого LDSD не помещался в аэродинамической трубе, специально построенной для испытания парашютов, которые конструкторы собирались установить на всех космических аппаратах, предназначенных для исследования Марса и появившихся после полета аппарата Vikin». Поэтому команде разработчиков пришлось перенести испытания в калифорнийскую пустыню Мохаве на полигон авиабазы ВМФ «Чайна Лэйк». Вот как все это происходило: к испытательной площадке протянута железнодорожная ветка длиной 4,2 мили, по которой ходят стальные сани на реактивной тяге; к саням был прикреплен LDSD. В ходе испытаний реактивные сани разгонялись и, буксируя LDSD на высокой скорости, в конце пути врезались в закрепленный объект. По сравнению с испытаниями в атмосфере Земли, испытания в пустыне Мохаве сопряжены с меньшим риском, а расходы на их проведение ниже.
В 2014 году были сначала проведены испытания на дозвуковой скорости. Они проходили следующим образом: реактивные сани разгонялись, достигая дозвуковой скорости, и тянули за собой привязанный к ним «пончик». После успешного завершения испытания специалисты уже собирались было переходить к следующему этапу — испытаниям на сверхзвуковой скорости, но сильный ветер остановил эту затею.
После первой неудачи и за два месяца до второго испытания на сверхзвуковых скоростях, команда проектировщиков вернулась на полигон «Чайна Лэйк». На этот раз прочность парашюта была увеличена с помощью дополнительных слоев кевлара и нейлона. Кроме того, были внесены некоторые конструктивные изменения, благодаря которым парашют стал более устойчивым и легко управляемым. Был также создан запасной парашют, причем оба с успехом прошли испытания на дозвуковых скоростях — этот факт не мог не воодушевить конструкторов.
Второй испытательный полет, проведенный на Гавайях, оказался удачнее первого — в этот раз парашют разорвался уже через 0,6 секунд после своего раскрытия. «Сначала он полностью раскрылся, а потом, вдруг, вздумал порваться», — говорит Мэннинг. Непонятно почему, но парашют стал разрываться на части при натяжении около 80 тысяч фунтов, хотя испытания на реактивных санях показали, что он должен был вынести натяжение, по крайней мере, 120 тысяч фунтов. Если раньше специалисты НАСА полагали, что для успешной посадки на марсианскую поверхность парашюты вполне достаточно протестировать на дозвуковых скоростях, то проведенные испытания поставили этот подход под сомнение.
«Именно таким способом мы проводим испытания на протяжении многих лет. Но два раза подряд вышли осечки, — говорит Мэннинг. — И этот факт нас озадачил». Вскоре после второго испытания в конструкцию были внесены новые изменения, обеспечившие прочность парашюта, но после неудачного испытания остались одни вопросы без ответа. «Может быть, наши парашюты и не так хороши, но ведь все эти годы мы используем их на Марсе, и они нас еще ни разу не подводили», — говорит Мэннинг.
Мэннинг убежден в том, что оба испытания оказались неудачными из-за того, что парашюты раскрывались на быстрой скорости. Все дело в том, что между двумя процессами — раскрытием парашюта на сверхзвуковой скорости (в условиях, характерных для нижних слоев атмосферы) и на дозвуковых скоростях (в плотных слоях атмосферы у поверхности Земли) — мало общего. Процесс раскрытия парашюта на сверхзвуковой скорости во многом противоречит всему, что было известно об этом со времен Леонардо да Винчи.
Провести компьютерный эксперимент не удается, поскольку приходится учитывать большое число параметров. И все же, кое-кто все же пытается использовать методы компьютерного моделирования. Так, в настоящее время ведутся работы по моделированию падения парашюта в атмосфере, но, по словам руководителя проекта по исследованию аэродинамики парашютов Марка Адлера, пройдет еще немало лет, прежде чем методы математического моделирования будут окончательно доведены до ума. По словам Адлера, трудность заключается в том, что необходимо будет корректно определить спектр обтекания, обусловленный движением парашюта. Таким образом, спектр обтекания и поведение парашюта необходимо постоянно корректировать на малых промежутках времени, что является крайне сложной задачей. В настоящее время этого нельзя сделать даже с использованием самых мощных компьютеров и передового программного обеспечения«.
Перед тем, как команда возвратится на Гавайские острова для проведения третьего испытания на больших высотах, конструкторам необходимо будет провести серию дополнительных испытаний, чтобы как можно точнее смоделировать падение сверхзвукового парашюта. С этой целью они планируют запустить с космодрома Уоллопс в штате Виргиния двухступенчатые метеорологические ракеты, а затем попытаются замедлить падение этих ракет, летящих на сверхзвуковой скорости, с помощью парашюта. На борту ракет будут установлены 3D-камеры, с помощью которых специалисты смогут наблюдать, как изменяется форма парашюта в момент его раскрытия. Благодаря этому, разработчики смогут определять распределение нагрузок с интервалом в одну миллисекунду.
Поскольку вес метеорологической ракеты легче веса летающего «блюдца», испытанного над Тихим океаном, можно обойтись парашютом меньших размеров. Так, по словам Мэннинга, парашют размером сто футов сможет полностью затормозить падение ракеты даже до того момента, как полностью раскроется его купол. Таким образом, инженеры, скорее всего, воспользуются парашютами диаметром 53 фута, которые в свое время были установлены на Curiosity; это будут первые испытания парашютов подобного размера, проведенные спустя много лет после полета аппаратов Viking на Марс.
По словам Адлера, эти парашюты пройдут испытания в аэродинамической трубе и во время пусков метеорологических ракет. Конструкторы хотели бы проанализировать, при каких условиях происходит разрыв парашютов во время летных испытаний в атмосфере и в аэродинамической трубе. «Как только нам удастся точно определить предельные нагрузки, — говорит Адлер, — вот тогда мы и поймем, на каком из этапов возникает пороговый отказ». Перед своей поездкой на Гавайские острова команда инженеров заснимет шесть испытаний с участием метеорологических ракет и шесть испытаний в аэродинамической трубе.
По словам Адлера, необходимо «понять, как следует сравнивать дозвуковые испытания со сверхзвуковыми». Адлер напомнил, что при подготовке миссий Pathfinder, Mars Exploration Pathfinder и Curiosity наблюдались проблемы с конструированием парашютов, но, в конечном счете, все они с успехом отработали во время полетов на Марс. «С другой стороны, — добавил Адлер, — во время тех космических полетов парашюты выдерживали нагрузки в половину предельной, а во время полета на Марс они никогда не нагружались до предела. Оставался еще некоторый скрытый запас прочности… Возможно, именно он нас и спасет».
Мэннинг никак не может объяснить, по какой же причине эти дозвуковые парашюты хорошо отработали на Марсе. «Может быть, разгадка близко, но пока что мы ее не нашли», — говорит он.
По словам Адлера, за их работой пристально наблюдают конструкторы-разработчики миссий InSight и Mars 2020, а также разработчики проекта LDSD, офис которых тоже находится в здании Лаборатории реактивного движения (JPL). Адлер попросил разработчиков миссии Mars 2020 об одном одолжении — дать ему видеокамеру для того, чтобы с ее помощью отснять поведение парашюта во время реальной посадки на Красную планету.
Итак, киномарафон продолжается: между старым фильмом, на котором были отсняты испытания по программе Viking, и тем фильмом, на котором будет запечатлен полет на Марс, разница в полстолетия. Быть может, когда-нибудь мы увидим фильм, в котором нам, наконец-то, покажут, как первые астронавты расселяются в домах, доставленных на поверхность Красной планеты с помощью парашюта.
