Фото: Андрей Рюмин/ТАСС/Роскосмос
Ровно 50 лет назад, 2 декабря 1971 года, впервые была совершена мягкая посадка на Красную планету. Спускаемый аппарат советской станции «Марс-3» успешно примарсился на парашюте разработки НИИ парашютостроения. Сегодня Институт входит в холдинг «Технодинамика» Госкорпорации Ростех.
С самого начала космической эры в НИИ парашютостроения изучались возможности посадки космических аппаратов на другие планеты. Здесь были созданы парашюты для спускаемых модулей станций «Венера», «Марс», «Зонд» и «Луна». Такие системы существенно отличаются от тех, что используются для приземления. О парашютах, которые работают вне законов земной физики – в нашем материале.
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.
Парашют «тормозит» скорость благодаря своему куполу, который увеличивает сопротивление воздуха. Традиционная форма парашюта обеспечивает максимальный уровень сопротивления при минимальной площади. Эти основы парашютостроения были заложены еще Глебом Котельниковым – изобретателем ранцевого парашюта.
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.
Посадка спускаемого аппарата корабля «Союз МС-18». Фото: Роскосмос
Немного сложнее устроено приземление космических кораблей. К примеру, спускаемый аппарат «Союза» на высоте около 10 км имеет скорость снижения 240 м/с. Для того, чтобы погасить ее, одного парашюта недостаточно. Вначале срабатывает небольшой тормозной парашют площадью 14 квадратных метров, который гасит скорость до 90 м/с. Затем при приближении к земле раскрывается основной парашют, и скорость аппарата падает до 9 м/с, почти как у десантника. Если парашютиста учат принимать правильную позу для того, чтобы сделать посадку помягче, то спускаемый аппарат «Союза» для этого использует специальные тормозные двигатели.
Неземная физика: парашют на сверхзвуке
Какие сложности ожидают «космических десантников» при посадке на другую планету? В первую очередь, это – отсутствие родной земной атмосферы. Например, марсианские парашютисты столкнутся с давлением в 160 раз ниже земного и с плотностью воздуха примерно 0,02 килограмма на кубометр. Такая низкая плотность резко снижает эффективность парашюта – несмотря на раскрытый купол, парашютиста ждет очень жесткая посадка.
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.
Поэтому единственный выход в этой ситуации – использовать специальные сверхзвуковые парашютные системы. Такие парашюты уже использовались для посадки на Венеру, Марс, Юпитер, Луну, спутник Сатурна Титан. Только в НИИ парашютостроения были разработаны системы для посадки спускаемых модулей межпланетных станций «Венера», «Марс», «Зонд» и «Луна». Однако именно Марс стал самой популярной площадкой для сверхзвукового космического парашюта.
Мягкая посадка на Красной планете
В 1960-х годах исследования Красной планеты – на пике популярности, как в СССР, так и за океаном. Советскими учеными был разработан проект М-71, который предусматривал запуск в 1971 году трех космических аппаратов к Марсу. При этом еще в 1962 году был создан «Марс-1» – первый в истории космический аппарат, выведенный на траекторию полета к Марсу.
В мае 1971 года советский спускаемый аппарат «Марс-2» достиг поверхности Красной планеты. Однако, первая посадка на Марс оказалась неудачной. В декабре того же года с этой миссией справился «Марс-3» – это была первая в истории мягкая посадка на Красную планету.
Спускаемый аппарат межпланетной станции «Марс-3»
Итак, 2 декабря 1971 года спускаемый аппарат «Марс-3» вошел в атмосферу Красной планеты со скоростью около 5800 м/с. На сверхзвуковой скорости сработал сначала вытяжной, а затем основной парашют, который снизил скорость движения примерно до 60 м/с. На расстоянии порядка 30 метров от поверхности планеты сработал тормозной двигатель посадки. Так на Марсе, на дне крупного кратера Птолемей, совершил успешную мягкую посадку первый космический аппарат. Спустя полторы минуты началась передача данных, но продлилась она всего 15 секунд. Сеанс связи был прерван из-за плохих погодных условий. «Марсу-3» не повезло – на Красной планете в тот день бушевала пылевая буря.
Несмотря на это, «Марс-3» успел передать важную информацию: показал температуру поверхностного слоя, определил характер и плотность марсианского грунта, а также зафиксировал содержание водяного пара в атмосфере Марса, которое оказалось в 5 тыс. раз меньше, чем на Земле. Но главная заслуга проекта «Марс-3» – наглядное доказательство того, что мягкая посадка на Красную планету является выполнимой миссией. Парашютная система, созданная специалистами НИИ парашютостроения, была уникальна для того времени – она выдержала огромную скорость в 3,5 М, справилась с разреженной марсианской атмосферой и ее сильными ветрами.
И сегодня, спустя полвека, парашют не сдает свои позиции в освоении Марса. В следующем году в рамках проекта «ЭкзоМарс» на Красную планету отправится российская посадочная платформа с европейским марсоходом на борту. Интересной особенностью посадочной платформы являются два парашюта. Сначала раскроется сверхзвуковой 15-метровый обычного типа DGB (Disk-Gap-Band – «диск-щель-кольцо»). Когда скорость станет дозвуковой, раскроется второй, круглощелевой, парашют диаметром 35 метров, самый большой в истории изучения Марса.
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.
