Парашют для космодесантника

Воздушно-десантные войска немыслимы без парашютов, и на Земле уже давно научились с помощью матерчатых куполов эффективно и безопасно «сажать» и людей, и технику. Но так ли просто сделать это на других планетах? Внеземные «десантники» — автоматические посадочные зонды и планетоходы — научились технике мягкой посадки. Как устроены космические парашюты и с какими проблемами сталкиваются их конструкторы, читайте в нашем материале, приуроченном ко Дню десантника.

Семьсот шестьдесят миллиметров

Прежде чем погружаться в мир «внеземных» парашютов, попробуем сперва разобраться, как они работают на Земле, точнее, в земной атмосфере.

Люди прыгали с парашютами начиная с XVIII века. Первоначально это были неудобные и громоздкие конструкции, подходящие разве что для прыжков с воздушного шара. Современный парашют, помещающийся в компактном ранце, придумал Глеб Котельников в 1912 году, и устройства этого типа используются до сих пор.

День воздушно-десантных войск отмечается в честь высадки с воздуха подразделения из 12 военнослужащих на учениях Московского военного округа 2 августа 1930 года. Важной вехой в развитии средств десантирования стало 5 января 1973 года, когда впервые боевая техника приземлилась на парашюте с экипажем внутри.

Что же такое спуск на парашюте с точки зрения физики? Выпрыгнувший из самолета человек падает с ускорением, близким к ускорению свободного падения, очень недолго. Его встречает относительно плотная среда — воздух, сила сопротивления которого растет пропорционально квадрату скорости падения. Очень быстро сила сопротивления воздуха уравновешивает силу тяжести, и скорость парашютиста перестает расти.

Эта равновесная скорость зависит от формы и положения тела в воздухе, от высоты над землей, даже от типа одежды, но у обычного парашютиста, падающего плашмя на высоте нескольких километров, установившаяся скорость падения равна примерно 50 метрам в секунду.

Более массивные объекты с более высокой средней плотностью и меньшей площадью проекции имеют значительно более высокую равновесную скорость. Например, у первой ступени ракеты Falcon 9 перед последним включением двигателя и посадкой она составляет примерно 300 метров в секунду.

В тот момент, когда десантник раскрывает парашют, равновесная скорость резко снижается, поскольку купол парашюта увеличивает сопротивление воздуха. В результате человек может приземлиться без вреда для себя.

Форма привычного нам парашюта выбрана так, чтобы создавать максимальное сопротивление при минимальной площади. За куполом образуется большая зона аэродинамической тени с вихрями. Более быстрое движение воздуха по центру обеспечивается благодаря отверстию, проделанному для снижения амплитуды раскачивания купола (оно было предусмотрено еще в парашюте Котельникова).

Визуализация поведения воздушных потоков вокруг главного парашюта спускаемого аппарата американского космического корабля «Орион»

TAFSM

В земных условиях парашюты снижают скорость с десятков метров в секунду (50 для парашютиста, 90 для спускаемого аппарата корабля «Союз») до нескольких метров в секунду.

Например, спускаемый аппарат «Союза» на высоте 9-11 километров имеет предельную скорость снижения 240 метров в секунду, которую затем небольшой тормозной парашют площадью 14 квадратных метров гасит до 90 метров в секунду. Ближе к земле раскрывается основной парашют, и скорость аппарата падает до 9 метров в секунду, а непосредственно перед посадкой еще и включаются специальные тормозные двигатели, обеспечивающие спускаемому аппарату мягкую посадку.

Посадка спускаемого аппарата корабля «Союз»: момент срабатывания двигателей мягкой посадки

NASA

Человека такими двигателями не снабдишь, но обычный круглый купол парашюта Д-1-5у обеспечивает скорость снижения около 5 метров в секунду. Это все равно немало и чревато травмой при неосторожном касании поверхности, поэтому парашютистов учат держать ноги вместе и группироваться перед приземлением.

Можно ли спускаемой технике обойтись без двигателей мягкой посадки? Просто увеличивать площадь купола плохая идея — вместе с ней растет и масса парашюта, и чтобы достичь безопасных значений, придется сделать ее нерационально большой.

Остается посадка на водную поверхность (как это было в случае «Меркуриев», «Джемини», «Аполлонов» и «Ориона») — если корабль входит в воду под углом, то она работает как амортизатор. Еще можно применять надувные воздушные мешки (как в случае с Boeing Starliner).

В воздушно-десантных войсках технику десантируют такими же способами. Например, в системе «Реактавр» после отделения от самолета боевая бронированная машина (ББМ) раскрывает парашют, обеспечивающий снижение со скоростью около 20 метров в секунду, а за несколько метров до поверхности срабатывают реактивные двигатели, снижающие скорость до приемлемых 5 метров в секунду.

Сегодня военные перешли к многокупольным системам с воздушными мешками-амортизаторами. Например, в системе «Бахча-У-ПДС» основных куполов аж 11 штук.

Снижаем давление

Какие сложности могут возникнуть у космических десантников, которым предстоит высадка на другую планету? Прежде всего, им придется иметь дело с другой плотностью атмосферы. Например у поверхности Марса давление в 160 раз ниже земного, и это сразу две плохие новости для марсианских парашютистов.

Первая: эффективность применения парашюта резко снижается, поскольку более разреженная атмосфера оказывает намного меньшее сопротивление. Если земного парашютиста в стандартном снаряжении десантировать на Марсе, то, несмотря на раскрытый купол, его ждет удар о поверхность на скорости около 60 метров в секунду (200 километров в час).

Вторая: решить предыдущую проблему, просто взяв парашют побольше, не получится. Дело в том, что низкое давление означает низкую скорость звука, и это сильно меняет ситуацию. Чтобы объяснить, как именно, нам снова понадобится обратиться к физике.

Если мы двигаемся в вакууме, то можем развивать любую скорость (не выше световой, конечно). Но если нам приходится перемещаться в воздухе, в воде или в любой другой среде, то параметры нашего движения будут ключевым образом зависеть от того, происходит оно быстрее или медленнее скорости распространения звука в этой же среде.

Когда некий объект (например, истребитель) двигается, его энергия передается воздушной среде вокруг него и рассеивается в атмосфере благодаря колебаниям. Все идет хорошо, пока скорость остается дозвуковой.

Когда скорость нашего истребителя в среде становится выше скорости распространения акустических колебаний, воздух уже не может отводить от него энергию так же эффективно, как раньше. Сопротивление резко возрастает, меняется характер обтекания — вокруг объекта возникает тупоугольная ударная волна, фронт которой образован сильно разогретым воздухом под высоким давлением, растет турбелентность.

Компьютерное моделирование потоков воздуха вокруг сверхзвукового парашюта (слева) и фотография с тестов в аэродинамической трубе.

Vorticity

С точки зрения пилота, преодолевающего звуковой барьер, это похоже на то, как будто плотность воздуха резко, скачком возросла и среда начала тормозить самолет намного интенсивнее, чем раньше. Аэродинамические свойства самолета при этом также резко изменятся. Поэтому даже форма сверхзвуковых самолетов значительно отличается от формы дозвуковых.

Теперь представьте, что на сверхзвуковой скорости летит не самолет, а человек — все тот же марсианский десантник. Если на такой скорости он откроет обычный парашют, то купол просто не выдержит нагрузки и разорвется. Поэтому нашему десантнику лучше подождать, пока скорость его падения не снизится до дозвуковой.

Однако сверхзвуковая скорость на Марсе значительно ниже земной — 244 метра в секунду против 340 метров в секунду на Земле (посчитать зависимость скорости звука от высоты на обеих планетах можно здесь). Это значит, что нашему десантнику придется дожидаться безопасной скорости падения значительно дольше, чем в тех же условиях на Земле.

Кстати, сама марсианская атмосфера работает в качестве тормоза намного хуже (смотри выше плохую новость номер один). Предельная скорость падения парашютиста до раскрытия купола на Марсе примерно в шесть раз превысит земную и достигнет 280 метров в секунду около поверхности. И это больше, чем скорость звука на Красной планете.

Марсианский парашютист просто не успеет дождаться момента, когда слабая атмосфера затормозит его падение до дозвуковой скорости и он сможет открыть парашют.

Есть ли выход из этой ситуации? Да, есть: создать сверхзвуковой парашют.

Этап испытаний

На сверхзвуковой скорости радикально меняется характер обтекания тела, движущегося в воздухе. Перед ним формируется скачок уплотнения (ударная волна).

Первые испытания показали, что купола обычных парашютов в таких условиях становятся нестабильными. Инженерам пришлось увеличивать проницаемость купола и экспериментировать с его формой.

Оказалось также, что на работу купола влияет возмущение от впереди летящего полезного груза, а еще необходимо правильно подбирать длину строп, чтобы купол не начал схлопываться. Сверхзвуковой парашют должен выдерживать перегрузку примерно до 10 G и нагрев от скачка давления, а также обеспечивать устойчивое торможение, не схлопываясь и не раскачиваясь. Это сложный процесс и тут многое зависит от материала и прочности строп.

И СССР и США, собравшись отправлять аппараты для мягкой посадки на Марс, столкнулись с задачей испытания выполняющих ее систем. И если особенности поведения теплозащиты уже были известны по испытаниям боеголовок межконтинентальных ракет и возвращающихся с земной орбиты аппаратов, а финальный этап посадки можно было изучить, сбрасывая аппараты с вертолета, то для проверки работы сверхзвукового парашюта необходимо было подобрать специальные условия.

К счастью, они оказались воспроизводимы на Земле. На высоте 30-40 километров плотность атмосферы не сильно отличается от марсианской, и с помощью ракетных двигателей тестовые стенды можно было разогнать до сверхзвуковых скоростей. В результате инженеры по обе стороны океана пришли к схожим решениям.

В СССР сверхзвуковые парашюты для «Марсов» тестировали, поднимая их в стратосферу на метеорологических ракетах М-100Б. Испытания оказались полезными — была замечена тенденция первой версии парашюта к схлопыванию на скорости 3,5 маха, которую заметили и смогли исправить.

В США для «Викингов» испытательный стенд был несколько сложнее — аппарат поднимали на высоту 36 километров 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.

Всего американцы провели четыре испытания, и все четыре раза успешно, но не потому, что им 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).

Таким образом, испытательные полеты пришлись на завершающую стадию программы, включавшей в себя тесты в аэродинамической трубе, бросковые испытания и проверки пировыбрасывателя.

А вот в рамках PEPP, SPED и SHAPE было проведено 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).

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.

Марс, Венера, Титан

Посадка на Марс сильно отличается от возвращения на Землю. На первом этапе спускаемый аппарат снижает скорость с нескольких километров в секунду до примерно 400 метров в секунду, находясь в аэрооболочке с теплозащитным щитом. Затем раскрывается сверхзвуковой парашют, который тормозит спускаемый аппарат до 60–100 метров в секунду.

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 «Спирит» и «Оппортьюнити»), опускаются на поверхность под специальной платформой на ракетных двигателях («Кьюриосити»), а легкие аппараты обходятся без тормозных двигателей (Beagle-2) или, притормозив ими, падают на амортизатор («Марс-3»).

А вот на Венере плотность атмосферы такова, что спускаемые аппараты еще до раскрытия купола тормозятся до дозвуковых скоростей и условия для спуска на парашюте сравнимы с земными. Скорость звука на Венере примерно равна 410 метров в секунду, а первый аппарат, снижавшийся в ее атмосфере, «Венера-4», раскрыл парашют на скорости примерно 210 метров в секунду.

Настоящие трудности начались потом — на поверхности планеты давление оказалось почти в 100 атмосфер, а температура достигала почти 500 градусов Цельсия. Поэтому земной аппарат сломался раньше, чем приземлился.

Первый аппарат, достигший поверхности, использовал очень маленький парашют площадью всего 2,8 квадратных метра, причем часть материала купола штатно выгорала, повышая его проницаемость. Расчеты оказались верными, аппарат коснулся поверхности на скорости примерно 16 метров в секунду и проработал на поверхности Венеры 20 минут.

Последующие зонды вообще были спроектированы так, чтобы, затормозив на парашюте, отстреливать его и приземляться на амортизатор. Это позволяло им быстрее спускаться на поверхность, не нагреваясь на высоте и не теряя драгоценного времени работы.

Условия на Титане (спутнике Сатурна) представляют собой любопытное смешение Марса и Венеры. Там на поверхности холодно (примерно -180 градусов Цельсия), а плотность атмосферы требует применения сверхзвукового парашюта.

В результате на европейском зонде «Гюйгенс» применили любопытное техническое решение. Сначала на скорости 400 метров в секунду (для Титана это примерно 2 маха) открылся сверхзвуковой парашют. Спустя 15 минут он был сброшен и открылся тормозной (посадочный) парашют.

Восьмиметровый парашют зонда «Гюйгенс», совершившего посадку на Титан. Демонстрация парашюта в честь двадцатилетия миссии.

Team Vorticity

Дело в том, что площадь сверхзвукового парашюта быстро становится избыточной и зонд мог замерзнуть еще до достижения поверхности. Поэтому второй парашют меньшей площади обеспечивал начальную скорость снижения в 94 метра в секунду, которая к поверхности уменьшилась до 4,7 метра в секунду за счет увеличения плотности атмосферы.

Посадка «Гюйгенса» с данными по скорости и высоте

Надувные летающие тарелки

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 «Кьюриосити» вплотную подошел к пределу безопасности, который могла обеспечить старая технология.

Ученые же ставят задачу сажать на Марс все более тяжелые аппараты, поэтому инженерам необходимо было придумать что-то новое. Таким экспериментальным проектом стал Low-Density Supersonic Decelerator (LDSD). В нем были реализованы сразу два новшества.

Во-первых, DGB-парашют сменили на круглощелевой. Во-вторых, для дополнительного замедления площадь аэрооболочки увеличили, надувая кольцевой «воротник».

Схема парашюта и надувного тормоза, созданных в рамках проекта Low-Density Supersonic Decelerator (LDSD)

NASA

Новая система должна будет обеспечить посадку на Марс 2-3-тонных зондов. Правда, в ходе двух первых испытаний парашют порвался. Третье ожидалось в 2016 году, но до сих пор о нем ничего слышно не было.

Первый порванный парашют

Второй порванный парашют

Так что парашют, предназначенный NASA для посадки ровера в 2020 году еще может поставить рекорд, раскрывшись за 0,4 секунды и выдержав пиковую нагрузку в 37 тонн, но для посадки чего-то более тяжелого просто увеличить уже имеющиеся системы не получится.

Парашюты марсианских посадочных зондов по сравнению с «Боингом-747». Сверху вниз: «Феникс», «Викинг», «Кьюриосити», парашют для будущих марсианских миссий, созданный в рамках проекта Low-Density Supersonic Decelerator

NASA

Кстати, идея раскрывающегося «воротника» LDSD базируется на принципиально другом подходе, когда вместо привычного парашюта используется надувной «волан». И здесь последними по времени были несколько российских испытаний разной степени успешности.

В 2000 году на орбиту отправились разгонный блок «Фрегат» и капсула с приборами, каждый со своими «воланами». От «Фрегата» нашли только титановые баки, а вот капсула, даже несмотря на отказ второго, более широкого «воротника», пережила падение.

В ходе испытаний 2001 и 2002 года, к сожалению, полезную нагрузку найти не удалось. В пуске 2005 года тестовый стенд вышел на связь, пройдя этап торможения в облаке плазмы, но спустя 23 секунды замолчал, и в районе падения его также найти не смогли.

Разгонный блок «Фрегат» с тормозным «воланом» до и после наддува

НИЦ имени Г.Н. Бабакина

Несмотря на отсутствие полностью удачных испытаний, НПО имени Лавочкина и НИЦ имени Бабакина возлагают большие надежды на концепт. На противоположном берегу океана, в NASA, существуют аналогичные проекты LOTFID и HIAD-2.

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 процентов которой будет произведено на НПО имени 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.

Судя по последним новостям, во время недавнего испытания на обоих парашютах появились разрывы. Их не хватило, чтобы сделать недостаточным тормозное усилие, но этот дефект, несомненно, должен быть устранен. Время на это еще есть — запуск «Экзомарса-2020» назначен на июнь 2020 года.

Подводя итог, отметим, что парашют, история которого насчитывает уже больше века, не сдает свои позиции. Даже в условиях разреженной атмосферы Марса применение сверхзвуковой разновидности этого устройства выгоднее, чем торможение на двигателях.

Филипп Терехов

Источник: nplus1.ru