Космические сверхзвуковые парашюты

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
 

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.

WIRED✔@WIRED

Shot in 1972, this rare footage of the high-altitude, supersonic test for Viking’s parachute was almost lost by @NASA. Read more about the new generation of space scientists trying to resurrect the long-neglected supersonic parachute: https://trib.al/pg5DwXK 

2908:05 AM - Feb 8, 2018Twitter Ads info and privacy

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.

Источник