Посадка космических аппаратов на планеты

Обновлено: 16.07.2024

Земные правила: прыжки в родной атмосфере

Для того, чтобы разобраться как работают парашюты в космосе, для начала нужно понять принцип их действия в земной атмосфере. Выпрыгнув с самолета, человек некоторое время падает с ускорением, равным ускорению свободного падения. Однако сопротивление воздуха действует так, что скорость парашютиста перестает расти. Конечно, здесь многое зависит от высоты, формы и положения тела в воздухе и некоторых других факторов. В среднем, обычный парашютист стремится к земле со скоростью порядка 50 метров в секунду. В момент раскрытия парашюта скорость резко снижается, и становится возможной мягкая посадка.

Итак, в земной атмосфере парашюты способны снизить скорость с десятков метров до нескольких метров в секунду. Например, обычный круглый купол парашюта Д-1-5у обеспечивает скорость снижения около 5 м/с. Все равно это немало, именно поэтому парашютистов учат правильно группироваться перед приземлением, чтобы избежать травм.

Неземная физика: парашют на сверхзвуке

Первая мысль для решения этой проблемы – увеличить площадь купола парашюта. Однако, это не поможет. Дело в том, что в разреженной атмосфере скорость звука ниже, а значит перейти на сверхзвук легче. При движении любой объект передает свою энергию воздушной среде вокруг него, и она рассеивается в атмосфере благодаря колебаниям. При дозвуковых скоростях это допустимо, но при сверхзвуке воздух уже не может отводить от объекта энергию так же эффективно. В итоге – возрастает сопротивление, вокруг объекта возникает ударная волна и сильно разогретый воздух под высоким давлением. Если на такой сверхзвуковой скорости откроется обычный парашют, то его купол просто не выдержит нагрузки и разорвется.

Мягкая посадка на Красной планете

Инфографика: Роскосмос

Этим летом уже прошли высотные испытания парашютной системы: основной парашют первой ступени отработал без замечаний на сверхзвуковой скорости, парашют второй ступени получил небольшое повреждение, но штатно снизил скорость макета посадочной платформы. Повторить то же самое на Марсе планируется в июне 2023 года. Спускаемый модуль должен сесть где-то в районе марсианского экватора, провести геологические пробы и возможно обнаружить следы жизни на Красной планете.

События, связанные с этим

Настоящая виртуальная реальность

Одной из самых сложных проблем космонавтики является посадка космического корабля или контейнера с научной аппаратурой на Землю или планету назначения. Методика посадки на различные небесные тела существенно зависит от наличия атмосферы на планете назначения, от физических свойств поверхности и многих других причин. Чем плотнее атмосфера, тем проще погасить космическую скорость корабля и посадить его, ибо планетная атмосфера может быть использована в качестве своего рода воздушного тормоза.

Можно указать три способа посадки космических кораблей. Первый способ – жёсткая посадка, происходящая без гашения скорости корабля. Сохраняя в момент удара с планетой космическую скорость, корабль разрушается. Например, при сближении с Луной скорость корабля составляет 2,3 – 3,3 км/сек. Создание конструкции, которые выдерживали бы ударные напряжения, возникающие при этих скоростях, - задача технически неразрешимая. Такая же картина будет наблюдаться при жёсткой посадке на Меркурий, астероиды и другие небесные тела, лишённые атмосферы.

Другой способ посадки – грубая посадка с частичным замедлением скорости. В этом варианте при входе ракеты в сферу действия планеты корабль следует развернуть таким образом, чтобы сопла двигателей были направлены в сторону планеты назначения. Тогда тяга двигателей, будучи направлена в сторону, противоположную движению корабля, будет замедлять движение. Поворот корабля вокруг его оси можно выполнить с помощью двигателей небольшой мощности. Одно из возможных решений задачи состоит в установке по бокам корабля двух двигателей, смещённых относительно друг друга, причём силы тяги этих двигателей должны быть направлены противоположно. Тогда возникает пара сил (две равных по величине и противоположных по направлению силы), которая развернёт корабль в нужном направлении. Затем включаются ракетные двигатели, уменьшающие скорость до некоторого предела. В момент посадки ракета может обладать скоростью несколько сотен метров в секунду, чтобы она могла выдержать удар об поверхность.

Наконец третий метод посадки, наиболее важный при доставке на планеты высокоточного научного оборудования и при высадке членов экспедиции, - это мягкая посадка корабля, подобная посадке самолёта на аэродром. Наиболее трудной является мягкая посадка с приземлением в заранее указанном месте.

Если планета назначения не обладает атмосферой, то мягкая посадка может производиться только при помощи тормозных реактивных двигателей, гасящих скорость корабля до нескольких десятков метров в секунду. При этом работа двигателей должна заканчиваться на высоте примерно 10-30 метров от поверхности планеты во избежании пылевого вихря и пожара, обусловленного неполным выгоранием топлива. Удар о планету можно смягчить также при помощи амортизационной системы.

Полёт космического корабля вблизи планеты назначения, вообще говоря, будет происходить по гиперболической орбите. Поэтому возможно либо сразу произвести посадку на поверхность планеты, гася гиперболическую скорость, либо предварительно вывести корабль на спутниковую орбиту, выбрать место для посадки и затем осуществлять спуск.

Опасности межпланетного перелёта.

Опасность номер один – потоки частиц высоких энергий, проникающих через массовые преграды. Кроме жестких солнечных излучений в межпланетном полёте следует остерегаться воздействия космических людей и потоков частиц высоких энергий вблизи планет.

В отдалённых областях космического пространства рождаются несущиеся с большими скоростями заряженные частицы, потоки которых именуются космическими лучами. Врываясь в верхнюю атмосферу Земли, они продолжают потоки вторично заряженных частиц. Последние накапливаются в околоземном космическом пространстве. Солнечная активность также является причиной накопления частиц высоких энергий вблизи Земли. Запуски первых спутников Земли и космических ракет дали возможность группе американских учёных под руководством Дж. Ван-Аллена и советским учёным, открыть и изучить потоки частиц высоких энергий в ближнем космосе. В результате этих исследований установлено существование поясов заряженных частиц вблизи Земли. Что это за пояса? Известно, что наша планета представляет собой гигантский магнит, а любое магнитное поле влияет на движение электрически заряженных частиц. Поэтому частицы, летящие из мировых глубин, - корпускулы, извергаемые Солнцем, подлетая к Земле, задерживаются её магнитным полем и распределяются по определённым областям ближнего космоса. Из этих частиц формируется три пояса, охватывающие Землю.

Наиболее опасный внутренний пояс простирается до полярных широт. Околополярные области свободны от частиц высоких энергий. Ближняя к Земле граница внутреннего пояса в разных районах Земли проходит на различных высотах. Границы также зависят от фазы солнечной активности. Высота нижней границы в восточном полушарии может составлять около 1500 км, а в западном – около 500 км. Такое расположение обусловлено несовпадением магнитных поясов Земли с её географическими полюсами. Внешний радиационный пояс простирается на расстоянии 70-150 тыс. км.

Действие космических лучей и радиационных поясов такое же, как и действие радиоактивных веществ. Нахождение в радиационном поясе без всякой защиты в течение одних-двух суток влечёт за собой получение смертельной дозы радиации. Человек будет поражён лучевой болезнью в самой тяжёлой форме.

Поставить эффективную защиту на космическом корабле пока не возможно, техника пока бессильна сделать это. Следовательно, пока существует лишь один выход – безопасные космические дороги.

В годы спокойного Солнца в ближнем космосе летать возможно на высотах, не превышающих 600 км. Выше полёты противопоказаны: там расположены кольцевые потоки заряженных частиц. Полёт к другим планетам нужно осуществлять через "каналы", расположенные вблизи оси вращения Земли. Выход с Земли в межпланетное пространство возможен только в арктических и антарктических областях.

Перейдём к опасности номер два – встрече с метеоритными частицами.

Как мы видели ранее, метеорная материя широко распространена в межпланетном пространстве. Достаточно сказать, что за счёт выпадающих на Землю метеоритов и метеорной пыли масса Земли ежесуточно возрастает на 0,5*10 6 кг. Эти метеорные тела движется со скоростями, значение которых колеблется в пределах от 11 км/сек до 80 км/сек. Удар метеорита по обшивке корабля может привести к непоправимым последствиям.

Чтобы определить необходимую для защиты толщину стенок корабля, выясним "пробивную" силу метеоритов. Лист дюралюминия толщиной 1 мм пробивается любым метеоритом диаметром 0,2 мм и более. Стальная обшивка толщиной 3 мм пробивается метеоритом диаметром более 1 мм, а сталь толщиной 12 мм может быть пробита метеоритом диаметром 0,5 см.

Определённую опасность могут представлять и метеориты-пылинки, так называемые микрометеориты. Они малы, но каков будет эффект непрерывных ударов их о стенки корабля? Не могут ли они постепенно разрушить обшивку? Ведь даже пробоина микроскопических размеров вызовет катастрофу: нарушится герметизация кабины, температура упадёт до крайне низких значений, и космический путешественник погибнет. проведённые расчёты показали, что обшивка корабля из дюралюминия толщиной 1,5 мм или из нержавеющей стали толщиной 0,6 мм обеспечивает безопасность от ударов микрометеоритов примерно в течение года.

Но сказанным не исчерпываются все опасности космического полёта. Существует ещё опасность номер три – испепеляющая жара при полётах в атмосфере. При посадке на такие планеты, как Земля, Венера, Юпитер, которые обладают плотными атмосферами, корабль будет омываться раскалёнными газами. Температура обшивки корабля будет подниматься до таких значений, при которых разрушаются наиболее тугоплавкие материалы. Могут наблюдаться такие явления, как плавление и испарение оболочки корабля и унос оплавленных материалов набегающим потоком воздуха. Корабль может "испариться", подобно метеориту.

Существует ряд методов регулирования температуры корабля. Один из них правильный выбор траектории входа в атмосферу под малым углом к горизонту. При медленном "погружении" корабля в атмосферу потеря скорости происходит медленно, поэтому в меньшей степени происходит и разогрев корабля.

Первым, до чего мы сумели дотянуться, стал спутник Земли - Луна. 14 сентября 1959 года Советский КА Луна-2 совершил жесткую посадку на Луну. Это стало первым контактом рукотворного объекта с небесным телом.

Первая мягкая посадка на Луну была совершена 3 февраля 1966 года аппаратом Луна-9.

Венера

После Луны мы отправились к Венере. 1 марта 1966 года аппарат Венера-3 разбился о поверхность планеты. Планировалась мягкая посадка, но аппарат вышел из строя.

Успешно спустится на планету удалось лишь 15 декабря 1970 года аппарату Венера-7.

Вслед за Венерой пришла очередь Марса.

27 ноября 1971 года аппарат Марс-2 разбился о Марс. Как и Венера-3, он должен был совершить мягкую посадку, но вышел из строя.

Это похоже стало доброй советской традицией - разбивать первый аппарат.

Удачно спустится на поверхность красной планеты удалось всего через пару дней - 2 декабря 1971 года. Посадку совершил аппарат Марс-3. В СССР, как правило, космические аппараты отправлялись парами.

Юпитер

Совершить посадку на Юпитер невозможно, а вот погрузить космический аппарат в его атмосферу - запросто. Что и сделали американцы 7 декабря 1995 года, направив аппарат Галилео в атмосферу гиганта.

Галилео продолжал функционировать еще на протяжении часа и спустился на глубину в 130 километров, после чего связь прервалась.

14 февраля 2001 года аппарат NASA NEAR Shoemaker совершил успешную посадку на околоземный астероид Эрос. Это стало первым контактом земного аппарата с астероидом.

Титан

14 января 2005 аппарат Европейского космического агентства Кассинни отправил зонд Гюйгенс на поверхность спутника Сатурна Титан.

Это событие стало первой мягкой посадкой КА на объект внешней Солнечной системы.

Темплея

NASA 4 июня 2005 года направило аппарат Дип Импакт прямиком на комету Темплея. КА разбился о ее поверхность (так и планировалось) и стал первым аппаратом, совершившим контакт с кометой.

Меркурий

Комета Чурюмова-Герасименко

А тут у нас первая мягкая посадка на комету. Совершил ее аппарат Европейского космического агентства Филы, 12 ноября 2014 года.

Сатурн

Сатурн, как и Юпитер - газовый гигант и спустится на его поверхность невозможно. Зато можно затопить КА в его атмосфере. Что и сделали в NASA, направив Кассинни, о котором мы уже упоминали ранее, прямиком на Сатурн.

Москва 1994г.
Изучение Солнечной системы. Типичные схемы спуска. Задачи, решаемые системой управления полетом СА. Компоновочная схема и устойчивость СА.

Вращение Земли вокруг своей оси

формат rtf
размер 150.18 КБ
добавлен 09 декабря 2010 г.

Королев Сергей Павлович - советский учёный, конструктор и организатор производства ракетно-космической техники

формат ppt
размер 1.44 МБ
добавлен 09 мая 2011 г.

Лазер

формат docx
размер 44.83 КБ
добавлен 04 апреля 2011 г.

Введение История создания лазера Классификация лазеров и их характеристики Область применение лазеров в науке и технике Заключение Список использованной литературы Введение (полностью) Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 г., и сразу же началось бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных ус.

Ломоносов в астрономии и оптике

формат docx
размер 196.31 КБ
добавлен 09 сентября 2010 г.

Великий русский поэт и ученый-энциклопедист Михаил Васильевич Ломоносов составил целую эпоху в создании и развитии различных отраслей отечественной науки, искусства и литературы. Перечисляя самые разнообразные научные занятия этого удивительного человека, которого Пушкин назвал первым русским университетом, нередко астрономию забывают. Его астрономические работы были мало известны и, если не считать открытия атмосферы планеты Венеры и нескольких.

Меркурий

формат ppt
размер 9.84 МБ
добавлен 13 апреля 2011 г.

ХНУ, Хмельницкий/Украина, , количество страниц 12, год написания 2011 Планеты земной групы. Содержимое: Характеристика всех параметров планеты (атмосферы, строения, поверхность, орбитальные характеристики, физические характеристики, физическое поле, движение планеты)

Механизм возмущения магнитного поля Земли

формат doc
размер 85.5 КБ
добавлен 26 мая 2011 г.

Введение Магнитное поле Земли и его характеристики Понятие геомагнитных возмущений и их краткая характеристика Механизм возмущения магнитного поля Земли Влияние ядерных взрывов на магнитное поле, параметры магнитного сигнала Выводы и результаты Список использованной литературы В работе рассмотрены характеристики магнитного поля нашей планеты и влияние различных факторов на изменений магнитного поля.

Планета Земля

формат ppt
размер 5.61 МБ
добавлен 09 апреля 2011 г.

Теории развития планеты небулярная теория Лапласа современные теории история развития Земли спутник Земли Луна тектонические плиты Земли Уровень: Вуз

Планета Юпитер

формат doc
размер 149.5 КБ
добавлен 16 декабря 2011 г.

Реферат по основам естествознания "Планета Юпитер",Минск,2010, 15 стр. Содержание: Общие сведения Параметры планеты Внутреннее строение Атмосфера Большое рентгеновское пятно на Юпитере Большое красное пятно Космические характеристики Магнитосфера Полярные сияния Молнии на Юпитере Комета Шумейкер-Леви 9 Кольца Юпитера Спутники Юпитера История открытий Приложение

Планеты Солнечной системы

формат ppt
размер 2.58 МБ
добавлен 14 января 2012 г.

Презентация к уроку по астрономии на тему Планеты солнечной системы с указанием использованных ресурсов.(45 слайдов) Зинченко Е.А.,Беларусь,ВГУ им.П.М.Машерова физический факультет,2011г

Солнечная система

формат rar
размер 43.06 КБ
добавлен 09 февраля 2011 г.

Лицей СГГА, "отлично", 27.05.96 Происхождение Солнечной системы (гипотеза О. Ю. Шмидта). Космогония. Туманность. Рождение Солнца. Образование планет. Почему именно Земля? Зарождение жизни (гипотеза А. И. Опарина). Начало. Сверкнула молния. Естественный отбор. Мутация. Новый уровень эволюции. Человечество и поиск. Цивилизация и её влияние на космос. Новый век - новое решение. Солнечная система: состав и особенности. Планеты земной группы. Планет.

Луна 9

В течение 7 сеансов связи общей продолжительностью более 8 часов АЛС передала на Землю первые изображения Луны прямо с ее поверхности. На передачу одного панорамного снимка тогда требовалось целых 100 минут.

Венера 7

После входа в атмосферу планеты АМС передавала данные 53 минуты, включая 20 минут, в течение которых станция была активна уже на поверхности Венеры.

Благодаря полученным данным, советским ученым удалось выяснить, как менялась температура атмосферы в зависимости от высоты аппарата (от 25 градусов по Цельсию до примерно 475 на поверхности). Также удалось узнать об атмосферном давлении на поверхности Венеры (приблизительно 90 атмосфер).

Мессенджер

Меркурий традиционно занимал невысокое положение в приоритетах космических держав. За всю историю космонавтики не было ни одной посадки на его поверхность, а целенаправленно для его изучения направлялось лишь два аппарата – и оба под эгидой NASA.

Вояджер

Галилео

NEAR Shoemaker

При первом пролете аппарата около астероида в январе 1999 года программное обеспечение компьютера на борту зонда отказало, что привело к потере связи NEAR Shoemaker с Землей более чем на сутки. Также была потеряна значительная часть топлива, которое было израсходовано при неконтролируемых и необъяснимых включениях двигателей во время аномалии. Постепенно зонд снова вышел на связь, и неисправность удалось нейтрализовать.

В феврале 2000 года зонд NASA NEAR Shoemaker стал первым в истории космическим аппаратом, вышедшим на орбиту астероида. После того, как все запланированные исследования были проведены, зонд было решено посадить на поверхность астероида. Несмотря на то, что благоприятного исхода в агентстве особо не ждали, аппарату удалось сесть на поверхность Эроса без повреждений и в течение более двух недель передавать на Землю ценные научные данные о химическом составе астероида, после чего связь с NEAR Shoemaker была окончательно потеряна.

Кассини

Гюйгенс

Стоит отметить и то, что определенные аномалии вблизи поверхности Титана позволили некоторым ученым говорить о том, что на Титане может быть жизнь. В частности, существует предположение, что там могут существовать отличные от земных формы жизни, которые дышат водородным газом, питаются ацетиленом, а производят метан. Однако подобные теории объяснения газовых аномалий пока что далеки от подтверждения.

Читайте также: