Нестандартните системи за кацане на Марс
Марс несъмнено е най-трудното небесно тяло за кацане измежду всички планети от вътрешната Слънчева система и техните луни. Сравнително елементарно е за един галактически транспортен съд, който се завръща от космоса, да кацне назад на Земята благодарение на парашути. Кацането на Луната също не е толкоз комплицирано и може да се реализира единствено със спирачни ракетни мотори. Но Марс има доста тънка атмосфера – атмосферното налягане е 100 пъти по-ниско от земното. Така атмосферата на Червената планета се оказва задоволително дебела, че не може да бъде подценена, само че въпреки това е прекомерно тънка, с цел да се употребяват единствено парашути.
Затова от 40 години насам, откогато са първите опити за изпращането на спускаеми апарати към Марс, инженерите се пробват да измайсторят разнообразни системи за втурване на научна инсталация на повърхността на Марс. И множеството от тези системи са изглеждали изумителни и даже налудничави – обвиване на спускаемите апарати в дунапрен за предпазването им при конфликта с повърхността, или пък спирачни въздушни възглавници, с които безпилотните сонди са подскачали като баскетболна топка на Марс. Много постоянно се е случвало по този начин, че тези инженерни измислици не са успявали да проработят, или резултатът е бил неудовлетворителен. Но се е случвало и противоположното – всичко е сработвало както е било и при наземните тествания, и стационарни спускаеми апарати и марсоходи са достигали сполучливо до повърхността на Марс, където са творяли научни чудеса. Тогава се е разбирало, че налудничавите хрумвания не са били чак толкоз налудничави – а зад тях е стояла здрава инженерна мисъл.
Технологията, създадена за кацането на “Марс 3 ”. Image: Soviet Academy of Sciences
След редица неуспехи от руска страна, през 1971 година към Марс се насочат автоматизирани междупланетни станции на Съюз на съветските социалистически републики – «Марс 2» и «Марс 3» – състоящи се от орбитални отсеци, които се трансформират сполучливо в изкуствени спътници на Марс, и спускаеми апарати – които се пробват да извършат меко кацане. Спускаемите апарати са били идентични. Спускаемият уред на «Марс 2» навлиза в атмосферата под изострен ъгъл и се разрушава. Той се трансформира в първия галактически уред, издигнат от човек, който попада на повърхността на Марс – въпреки в неработоспособно положение. «Марс 3» има повече шанс – сондата доближава до повърхността сполучливо, само че работи в продължение единствено на 14.5 секунди – време, което е незадоволително за каквато и да е научна работа. Все отново «Марс 3» е първият галактически уред, който проправя пътя на човечеството към пустинната повърхнина на Червената планета.
«Марс 3» е разчитал на стръмно балистично втурване при първичните стадии на процеса на кацане, след което са били употребявани два парашута. След разгръщането на втория от тях (основния парашут) по-късно той е бил разграничен от спускаемата сонда благодарение на твърдогоривни мотори (които постоянно са описвани в научно-популярната литература като «барутни двигатели»). След като твърдогоривните мотори понижили скоростта на сондата до 6.5 метра в секунда, следвало едно свободно рухване, при което сондата по проект е трябвало да се забие в повърхността на Марс със скорост 12 метра в секунда. Апаратурата е била предпазвана при съприкосновението от дунапреноподобна материя. Очевидно не всичко е протекло безпрепятствено, щом апаратът оживял след кацането единствено за броени секунди. И въпреки всичко този първи опит преди 41 години потвърдил, че кацането на Марс може и да е мъчно, само че не и невероятно.
Тази илюстрация демонстрира по какъв начин “Викинг 1 ” и “Викинг 2 ” кацат на повърхността на Марс през 1976 година Image credit: NASA
Когато през 1976 година американските апарати „ Викинг 1 ” и „ Викинг 2 ” кацат на повърхността на Марс (и по този начин трансформирайки се в първите работоспособни апарати на марсианската повърхност), НАСА залага на класиката. За първичните стадии при спускането се употребява система от топлинен щит, който забавя придвижването, след което се разпростира парашут с диаметър 16 метра. На височина 1.5 километра от повърхността се възпламеняват спирачните ракетни мотори и те сполучливо доставят стационарните апарати с трите крачета на Марс.
НАСА познава тази технология от предишни задачи, като да вземем за пример задачите на лунните сонди „ Сървеър ”. През 60-те години на предишния век и още преди кацането на хора на Луната, американските лунни сонди „ Сървеър ” направили меко кацане на естествения ни сателит. Разбира се, кацането на Луната е било по-лесно, тъй като тя няма атмосфера и не са нужни топлинни щитове и парашути. Хибридът сред топлинни щитове, парашути и спускаем уред като „ Сървеър ” се оказва сполучлив при „ Викинг 1 ” и „ Викинг 2 ”.
Много галактически специалисти и елементарни запалянковци, разглеждайки фотоси на безпилотни галактически станции от 60-те години, виждат големи разлики сред дизайна на американската и съветската инсталация. Съветските галактически апарати изглеждали груби, като че ли самият тип загатвал за суровите условия, пред които са се изправяли. А американските галактически апарати изглеждали по-крехки. През 1966 година на Луната кацат сполучливо руската сонда „ Луна 9 ” и американската „ Сървеър 1 ”. Но при „ Луна 9 ” спирачният ракетен мотор забавя скоростта на сондата единствено ненапълно, като в крайните стадии апаратурата е предпазвана от амортизиращи възглавници. „ Сървеър 1 ” каца на Луната доста по-меко. Грубият дизайн при руските сонди и изглеждащият като по-крехък дизайн при американските се резервира и по-късно – при „ Марс 3 ” още веднъж кацането е релативно твърдо, като се употребяват амортизиращи системи от дунапрен, до момента в който при „ Викинг 1 ” кацането е по-меко.
Тази илюстрация демонстрира кацане на Марс благодарение на въздушни възглавници. Image credit: NASA/JPL
След кацането на «Викинг» минават дълги години преди земен уред още веднъж да се приближи към повърхността на Марс. В края на 80-те години Съюз на съветските социалистически републики изпраща орбитални сонди към Марс и Фобос, единствено една от които доближава до непълен триумф, след което през 90-те години страната минава през разпад. Руската космонавтика в никакъв случай не съумява да се възвърне изцяло след него. НАСА пък дълги години работи по градежа и употребата на галактическата совалка, за сметка на която са орязани редица безпилотни планове. В началото на 90-те години организацията губи един скъпоструващ орбитален уред, възлизащ на милиарди долари, в покрайнините на Марс. През идващите години – така наречен ера на Дан Голдин (тогавашния админ на НАСА) е възприета тактиката «по-бързи, по-евтини, по-добри», която цели основаване на евтини, само че работоспособни междупланетни галактически апарати.
«Марс Патфайндър» употребява система за кацане, създадена единствено за $4 милиона $, което е нищожно сума за галактически план. Системата е с форма на пирамида и е тествана неведнъж преди да бъде приложена на процедура. Изработена е от специфичен материал – „ вектран ” – специфичен вид полиестер с ароматни ядра.
Първоначално тестванията на въздушните възглавници са обезкуражаващи – те се пукат елементарно при съприкосновението с по-остри скали. Тогава експертите вземат решение да трансформират дизайна им и измислят идеалната формула – вместо да се употребяват възглавници от един пласт вектран, който е пълен, се употребяват възглавници от няколко по-тънки пласта. Външният пласт се раздира, при което обаче всмуква силата и основава буфер. По-вътрешните пластове обаче остават в огромна степен непокътнати. Въздушните възглавници се държат добре освен при тестванията на Земята, само че и при самото кацане на Марс. През 1997 година “Марс Патфайндър ” каца сполучливо на Марс и доставя на повърхността сполучливо марсохода “Съджърнър ”
Системата за кацане с въздушни възглавници, с изключение на през 1997 година при кацането на „ Марс Патфайндър ”, е употребена по-късно и през 2004 година при кацането на марсоходите „ Спирит ” и „ Опортюнити ”, от които „ Опортюнити ” работи сполучливо и до ден сегашен (т.е. до 22 юли 2012 г.). Единственият път, когато система с въздушни възглавници не е сработвала на Марс, е бил в края на 2003 година при кацането на английския спускаем уред „ Бийгъл 2 ”. Последващият отчет, който бе изработен след повредата сподели, че при дизайна на „ Бийгъл 2 ” били направени редица взаимни отстъпки, което е знак, че повредата не се дължи на уязвимост в самата система на кацане, а на човешкия фактор.
Микросондите “Дийп Спейс 2 ”. Photo credit: NASA/JPL
През 1999 година НАСА изпраща към Марс два галактически апарата – «Марс Клаймит Орбитър» (орбитална автоматизирана междупланетна станция) и «Марс Полър Лендър» (спускаема автоматизирана станция). И двете автоматизирани станции са изгубени – «Клаймит Орбитър» заради програмна неточност, до момента в който на «Полър Лендър» точната причина в никакъв случай не е открита. «Полър Лендър» употребява системата за кацане на «Викинг» с парашути и спускаеми ретро ракети. Много съм писал за възможните аргументи за повредата на «Полър Лендър» и тук няма да се спирам в детайли.
Но тъй като тематиката ни е за системи за приземяване на Марс, ще обърна внимание върху микросондите «Дийп Спейс 2», които бяха прикачени към «Марс Полър Лендър» и за които до този миг не съм се спирал в детайли на страниците на уеб страницата.
Двете микросонди «Дийп Спейс 2» са тежали едвам 3.5 кг! Сондите били инсталирани странично към «Марс Полър Лендър» и по време на целия път не са имали връзка със Земята. Те не са били захранвани от слънчеви акумулатори, а са се захранвали от две литий-тионил хлоридни акумулатори, които по проект е трябвало да обезпечат задоволително електрическа енергия, с цел да захранят апаратурата за три дни след кацането. Самите микросонди не са имали никаква дейна система за нахлуване в атмосферата, нито за кацане на Марс – те не са имали нито парашути, нито спирачни ракетни мотори. Целта е била да се забият в повърхността на Марс с висока скорост – от към 200 метра в секунда, при което задният щит е щял да се раздра, при което предната част е трябвало да се отдели от задната и да навлезе в дълбочина на 0.3 до 1 метър под повърхността.
Микросондите навлизат в атмосферата на Марс без проблем, само че контакт с тях в никакъв случай не е открит след кацането. Не е ясно каква е повода за неуспеха. Счита се, че батериите не са имали задоволително мощ, или пък просто апаратурата не е оживяла при мощния удар с повърхността. Така или другояче това е единственият опит от този вид, за който е бил изработен опит на повърхността на Марс. Оттогава насам такива микросонди не са летяли към Червената планета.
След близо четиридесет години опити на човек да доближи повърхността на Марс, до ден сегашен на Червената планета са съумели да кацнат наред едвам седем спускаеми апарата (ако включваме в класацията и «Марс 3»). Всичките те са: «Марс 3» (1971 г.), «Викинг 1» и «Викинг 2» (1976 г.), „ Марс Патфайндър ” (1997 г.), „ Спирит ” и „ Опортюнити ” (2004 ч.), „ Феникс ” (2008 г.). Изброените тук галактически апарати са правили сполучливи кацания на повърхността на Червената планета и са работили на повърхността за друг интервал от време, като минимум (по-малко от 15 секунди) е работил „ Марс 3 ”, а най-дълго е работил марсоходът „ Опортюнити ” – от януари 2004 година до ден сегашен (22 юли 2012 г.).
Спускаемите апарати на Марс изпратиха към Земята обширна научна информация за настоящото положение на Червената планета и затвърдиха вярата, че в случай че човечеството в миналото има галактическо бъдеще и опция да заживее на друга планета, това бъдеще ще е на Марс. Днес знаем сигурно, че водата под формата на лед е широкоразпространена освен на полюсите, само че и в дълбочина под повърхността отвън полярните региони. Някои научни данни даже разрешават да се допуска, че през избрани сезони на Марс има и течна вода. Марс е огромна планета и разполага с голяма повърхнина, колкото земните континенти! На Марс има климат, в небето се появяват облаци, от които от време на време падат превалявания (до този миг са открити превалявания от сняг). Температурите, въпреки и рядко надвишаващи нулата, не са рискови като на други планети. Снимките, изпращани от актуалните галактически апарати като „ Опортюнити ” станаха толкоз известни, че се появи ново потомство галактически запалянковци. Някои хора даже вършат научни открития въз основата на тези фотоси – от личния си дом и със личния си компютър.
Но без значение от тези огромни триумфи и без значение от дългите години, които са минали от навлизането на човечеството в галактическата ера, кацането на Марс си остава мъчно. Изпращането на спускаем уред на Червената планета продължава да бъде едно от върховите достижения на актуалния високотехнологичен свят. Процедурата по навлизането в атмосферата и спускането на повърхността към момента не е задоволително рутинна, доколкото, несъмнено, може да се каже, че галактически полет може да бъде обикновен. Все отново човек би се радвал да имаме същата сигурност при изпращането на уред на Марс, каквато имаме при изстрелването на човек в космоса със „ Союз ” или изпращането на неестествен сателит в околоземна орбита – ние просто знаем, че при повече от 90% от случаите изстрелванията са сполучливи и сме ненапълно спокойни дотам, че по-голяма част от въпросните изстрелвания въобще не се загатват в новините и ние не се тормозим за тях. При Марс обаче нещата са разнообразни – всеки полет е изпълнен напрегнато, боязън и нерви. И никаква сигурност, че всичко ще проработи.
Спускаемите апарати с крачета са създадени през 60-те години на предишния век по време на безпилотната лунна стратегия „ Сървеър ” и пилотираната стратегия „ Аполо ”, при която човек за първи път стъпи на Луната. По-късно през 70-те години сходна система е създадена за сондите „ Викинг ”, а през 2008 е употребена и при „ Феникс ”-овото сполучливо кацане на Марс. Тази система за кацане е изпипана и отработена добре, само че с цел да сработи сполучливо екипът би трябвало да премине през редица провокации. Тя не е лишена от дефекти.
На първо място спускаемият уред с крачета би трябвало да е в положение да кацне безвредно в район, който е посипан с разнообразни скали. В подобен случай или крачетата на апарата би трябвало да са задоволително дълги, да не би скалите да ударят самото тяло на спускаемия уред и да повредят апаратурата. Другият вид е самото тяло да бъде направено издръжливо на удар. Нито едно от тези решения не е изключително привлекателно. В единия случай спускаемият уред ще бъде висок, а в другия ще е прекомерно тежък. Това от своя страна води до понижаване на неговата непоклатимост и може да провали кацането, изключително в случай че теренът изпод е накривен, а не хоризонтален. Обикновено спирачните ракетни мотори се изключват по команда сега, когато едно от трите крачета допре повърхността – тогава датчик дава команда към компютъра, който приключва работата на моторите. Можете да се сетите, че при накривен терен единствено едно от крачетата ще доближи първо до повърхността и когато моторите се изключат, спускаемият уред ще падне на останалите две крачета по инерция. Това може да дестабилизира спускаемия уред и да го преобърне. Затова при пилотираните експедиции до Луната „ Аполо ” по време на крайните стадии от кацането човек е бил този, който е изключвал мотора при съприкосновението с повърхността и е преценявал по кое време кацането може да бъде безвредно.
До този миг на крачета са кацали на Марс всички стационарни спускаеми апарати (без марсоходи) – „ Викинг 1 ”, „ Викинг 2 ” и „ Феникс ”. Инструментите са били инсталирани на корпуса на апарата и благодарение на роботизирана ръка е била загребвана почвена проба за по-нататъшни проучвания. Тук незабавно изниква огромен минус – роботизираната ръка е с стеснен обсег и може да загребва почва единствено в покрайнината на спускаемия уред – само че тази местност преди самото кацане е била изложена на работата на ракетните мотори. Работата на ракетните мотори е един от главните рискови фактори за замърсяване на пробите и тя е била причина за главоболие при гореспоменатите спускаеми задачи.
При другата система за кацане – благодарение на въздушни възглавници – се отстраняват част от проблемите, упоменати при кацането с крачета. На първо място системата с въздушните възглавници има форма на вярна триъгълна пирамида (тетраедър). Тя може да се търкаля на Марс безкрайно време. Инженерите не се опасяват, че апаратът може да се преобърне. При кацането на „ Спирит ” апаратът спрял на повърхността на Марс с главната страна надолу, към повърхността. „ Опортюнити ” обаче кацнал странично. И в двата случая нямало проблем – след разгръщането на страните на пирамидалния спускаем уред той се озовавал в вярна позиция. Системата за кацане с въздушни възглавници е евтина и може да се създаде относително бързо.
С това обаче преимуществата завършват. Системата за кацане с въздушни възглавници си има своите дефекти. На първо място не е допустимо да се дефинира точното място за кацане – спускаемият уред може да се търкаля случайно дълго време и да спре във всеки един миг. Освен това кацането с въздушни възглавници е доста по-твърдо от кацането на крачета и това основава ограничавания при избор на научна инсталация за марсохода – тя би трябвало да е задоволително издръжлива на удар. Не на последно място след кацането въздушните възглавници би трябвало да се раздуят и да бъдат сгънати най-малко дотам, с цел да може марсоходът да излезе на повърхността. Това е основало преди време обилни главоболия за „ Спирит ”.
На илюстрацията – кацането на марсохода “Кюриозити ”, което би трябвало да се случи на 6 август 2012 година Image credit: NASA/JPL
За кацането на марсохода „ Кюриозити ” е създадена система от трето потомство, която би трябвало да отстрани проблемите на системите от първо и второто потомство – на ретроракетите и спирачните въздушни възглавници. На първо място би трябвало да бъдат отстранени вторичните системи за освобождение на марсохода след кацане, които основават редица спънки. Системата „ небесен кран ” е планувана да работи по подобен метод – марсоходът „ Кюриозити ” ще бъде спуснат на три въжета от спускаемата платформа напряко върху марсианската повърхнина и незабавно след кацането си ще бъде в цялостна подготвеност за работа и няма да се постанова да преодолява трудностите на отработената инсталация за кацане.
Всъщност, в случай че би трябвало да сме правилни, системата „ небесен кран ” не се отличава чак толкоз доста от общоприетите системи за кацане със спирачни ракетни мотори. Разликата е, че при общоприетите спускаеми апарати с крачета моторите се намират изпод, а в горната част се намира научната инсталация. При системата „ небесен кран ” нещата са обърнати – марсоходът се намира изпод, а спирачните ракетни мотори са от горната страна. Така се отстрани още един минус – спирачните ракетни мотори ще работят във височина и няма да замърсяват околния регион (както и апаратурата на марсохода), до момента в който самият той ще се намира ниско, на края на въжетата. Трети минус, който се отстрани, е нуждата ракетните мотори да бъдат изключени незабавно след кацането. Операциите при кацането няма да бъдат прекъснати неотложно, радарът ще продължи да работи даже сега, когато колелата на марсохода допират повърхността. Това ще обезпечи по-голям надзор и сигурност в тези последни моменти на кацането, а скоростта при прикосновение с повърхността ще бъде доста по-ниска.
Интересното е, че при кацането с „ небесен кран ” няма потребност да се употребяват общоприети датчици, каквито са се употребявали при предишни спускаеми задачи. Системата работи на значително по-опростен принцип и по този начин рискът се понижава. Казано на оптимално елементарен език, спускаемата степен следи измененията в силата, която е нужна с цел да се поддържа непрекъсната скорост от 0.75 метра в секунда пътешестване към повърхността. Първоначално би трябвало да се употребява по-голяма мощ, надлежно моторите би трябвало да работят с по-голяма двигателна сила, с цел да издигат по едно и също време спускаемата платформа и марсоходът, който виси в нейния край. Когато марсоходът доближи повърхността, тогава моторите работят при по-малка двигателна сила, тъй като те би трябвало да поддържат единствено платформата. Запази ли се тази наклонност за секунда и половина, компютърът смята кацането за приключено, специфични пиропатрони отделят марсохода от въжетата и платформата излетява встрани на безвредно разстояние. Тази технология се смята за надалеч по-надеждна от технологията за кацане на апарати с крачета – въпреки всичко смята се, че повода за неуспех при „ Марс Полър Лендър ” през 1999 година е точно подправено подаден сигнал за кацане на датчиците на крачетата, което довело до прибързано изключване на спирачните мотори.
Марсоходите на НАСА стават все по-големи – начело мъничкият марсоход е модел на “Съджърнър ” от задача “Марс Патфайндър ” през 1997 година Вляво – марсоход от вида на “Спирит ” и “Опортюнити ”. Вдясно – модел на марсохода “Кюриозити ”. Photo credit: Thomas A. Dutch Slager/NASA
През последните няколко години ясно се вижда наклонност към рационализиране на технологиите за кацане. Няма по какъв начин да не обърнем внимание, че НАСА се старае да изпраща все по-големи и по-големи галактически апарати към марсианската повърхнина. Ако през 1997 година марсоходът „ Съджърнър ” имаше размер на детска количка, то през 2004 година дойдоха „ Спирит ” и „ Опортюнити ” с човешки растеж. Сега на Марс идва еднотонен робот с размер на лек автомобил. Ако кацането на „ Кюриозити ” е сполучливо, което надалеч не е несъмнено, тогава човечеството ще е създало технология, способна да доставя потребен товар на Марс с тегло един звук!
Бавно, само че последователно човечеството работи по казуса за изпращането на все по-тежки и по-тежки машини на Марс. Може би по-бавно, в сравнение с ни се желае на нас, галактическите запалянковци. За да бъде изпратен човек на Марс ще е нужен спускаем уред с всичките нужни животоподдържащи системи – т.е. неведнъж по-тежък от „ Кюриозити ”! Мисията на „ Кюриозити ” е една от първите стъпки към тази цел – след което би трябвало да последват още нови и нови стъпки, все по нови и все по-авангардни системи за кацане. Все отново имам вяра, че някой ден в действителност ще забележим човешки крайник, стъпващ по червеникавия пясък на Червената планета.
