22 юли 2012 г. 17:00 ч.
Светослав Александров. Марс определено е най-трудното небесно тяло за кацане сред всички планети от вътрешната Слънчева система и техните луни. Сравнително лесно е за един космически кораб, който се завръща от космоса, да кацне обратно на Земята с помощта на парашути. Кацането на Луната също не е толкова сложно и може да се постигне само със спирачни ракетни двигатели. Но Марс има много тънка атмосфера – атмосферното налягане е 100 пъти по-ниско от земното. Така атмосферата на Червената планета се оказва достатъчно дебела, че не може да бъде пренебрегната, но от друга страна е твърде тънка, за да се използват само парашути.
Затова от 40 години насам, откакто са първите опити за изпращането на спускаеми апарати към Марс, инженерите се опитват да измайсторят различни системи за спускане на научна апаратура на повърхността на Марс. И повечето от тези системи са изглеждали изумителни и дори налудничави – обвиване на спускаемите апарати в дунапрен за предпазването им при сблъсъка с повърхността, или пък спирачни въздушни възглавници, с които безпилотните сонди са подскачали като баскетболна топка на Марс. Много често се е случвало така, че тези инженерни измислици не са успявали да проработят, или резултатът е бил незадоволителен. Но се е случвало и обратното – всичко е сработвало както е било и при наземните изпитания, и стационарни спускаеми апарати и марсоходи са достигали успешно до повърхността на Марс, където са творяли научни чудеса. Тогава се е разбирало, че налудничавите идеи не са били чак толкова налудничави – а зад тях е стояла здрава инженерна мисъл.
Обвитият в дунапреноподобна материя спускаем апарат „Марс 3”
Технологията, разработена за кацането на "Марс 3". Image: Soviet Academy of Sciences
След редица неуспехи от съветска страна, през 1971 година към Марс се отправят автоматични междупланетни станции на СССР – «Марс 2» и «Марс 3» - състоящи се от орбитални отсеци, които се превръщат успешно в изкуствени спътници на Марс, и спускаеми апарати – които се опитват да извършат меко кацане. Спускаемите апарати са били идентични. Спускаемият апарат на «Марс 2» навлиза в атмосферата под остър ъгъл и се разбива. Той се превръща в първия космически апарат, построен от човек, който попада на повърхността на Марс – макар в неработоспособно състояние. «Марс 3» има повече късмет – сондата достига до повърхността успешно, но работи в продължение само на 14.5 секунди – време, което е недостатъчно за каквато и да е научна работа. Все пак «Марс 3» е първият космически апарат, който проправя пътя на човечеството към пустинната повърхност на Червената планета.
«Марс 3» е разчитал на стръмно балистично спускане при първоначалните етапи на процеса на кацане, след което са били използвани два парашута. След разгръщането на втория от тях (основния парашут) по-късно той е бил разделен от спускаемата сонда с помощта на твърдогоривни двигатели (които често са описвани в научно-популярната литература като «барутни двигатели»). След като твърдогоривните двигатели намалили скоростта на сондата до 6.5 метра в секунда, следвало едно свободно падане, при което сондата по план 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 гладко, щом апаратът оцелял след кацането само за броени секунди. И все пак този първи опит преди 41 години доказал, че кацането на Марс може и да е трудно, но не и невъзможно.
Класиката – парашути и спирачни ракетни двигатели за стационарен апарат с три крачета
Тази илюстрация показва как "Викинг 1" и "Викинг 2" кацат на повърхността на Марс през 1976 г. Image credit : NASA
Когато през 1976 година американските апарати „Викинг 1” и „Викинг 2” кацат на повърхността на Марс (и така превръщайки се в първите работоспособни апарати на марсианската повърхност), НАСА залага на класиката. За първоначалните етапи при спускането се използва система от топлинен щит, който забавя движението, след което се разгръща парашут с диаметър 16 метра. На височина 1.5 километра от повърхността се запалват спирачните ракетни двигатели и те успешно доставят стационарните апарати с трите крачета на Марс.
НАСА познава тази технология от предходни мисии, като например мисиите на лунните сонди „Сървеър”. През 60-те години на миналия век и още преди кацането на хора на Луната, американските лунни сонди „Сървеър” извършили меко кацане на естествения ни спътник. Разбира се, кацането на Луната е било по-лесно, защото тя няма атмосфера и не са нужни топлинни щитове и парашути. Хибридът между топлинни щитове, парашути и спускаем апарат като „Сървеър” се оказва успешен при „Викинг 1” и „Викинг 2”.
Много космически експерти и обикновени ентусиасти, разглеждайки снимки на безпилотни космически станции от 60-те години, забелязват огромни разлики между дизайна на американската и руската апаратура. Съветските космически апарати изглеждали груби, сякаш самият вид загатвал за суровите условия, пред които са се изправяли. А американските космически апарати изглеждали по-крехки. През 1966 година на Луната кацат успешно съветската сонда „Луна 9” и американската „Сървеър 1”. Но при „Луна 9” спирачният ракетен двигател забавя скоростта на сондата само донякъде, като в крайните етапи апаратурата е предпазвана от амортизиращи възглавници. „Сървеър 1” каца на Луната много по-меко. Грубият дизайн при съветските сонди и изглеждащият като по-крехък дизайн при американските се запазва и по-късно – при „Марс 3” отново кацането е относително твърдо, като се използват амортизиращи системи от дунапрен, докато при „Викинг 1” кацането е по-меко.
НАСА започва да използва спирачни възглавници през 1997 година – „Марс Патфайндър” каца успешно на Червената планета!
Тази илюстрация показва кацане на Марс с помощта на въздушни възглавници. Image credit : NASA/JPL
След кацането на «Викинг» минават дълги години преди земен апарат отново да се приближи към повърхността на Марс. В края на 80-те години СССР изпраща орбитални сонди към Марс и Фобос, само една от които достига до частичен успех, след което през 90-те години страната минава през разпад. Руската космонавтика никога не успява да се възстанови напълно след него. НАСА пък дълги години работи по строежа и експлоатацията на космическата совалка, за сметка на която са орязани редица безпилотни проекти. В началото на 90-те години агенцията губи един скъпоструващ орбитален апарат, възлизащ на милиарди долари, в околностите на Марс. През следващите години – т.нар. епоха на Дан Голдин (тогавашния администратор на НАСА) е възприета стратегията «по-бързи, по-евтини, по-добри», която цели създаване на евтини, но работоспособни междупланетни космически апарати.
«Марс Патфайндър» използва система за кацане, разработена само за $4 милиона долара, което е незначително сума за космически проект. Системата е с форма на пирамида и е тествана многократно преди да бъде приложена на практика. Изработена е от специален материал – „вектран” – специален тип полиестер с ароматни ядра.
Първоначално тестовете на въздушните възглавници са обезкуражаващи – те се пукат лесно при съприкосновението с по-остри скали. Тогава специалистите решават да променят дизайна им и измислят идеалната формула – вместо да се използват възглавници от един слой вектран, който е дебел, се използват възглавници от няколко по-тънки слоя. Външният слой се разкъсва, при което обаче абсорбира енергията и създава буфер. По-вътрешните слоеве обаче остават в голяма степен запазени. Въздушните възглавници се държат добре не само при тестовете на Земята, но и при самото кацане на Марс. През 1997 година "Марс Патфайндър" каца успешно на Марс и доставя на повърхността успешно марсохода "Съджърнър"
Системата за кацане с въздушни възглавници, освен през 1997 година при кацането на „Марс Патфайндър”, е използвана по-късно и през 2004 година при кацането на марсоходите „Спирит” и „Опортюнити”, от които „Опортюнити” работи успешно и до ден днешен (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 британския спускаем апарат „Бийгъл 2”. Последващият доклад, който бе направен след аварията показа, че при дизайна на „Бийгъл 2” били направени редица компромиси, което е знак, че аварията не се дължи на слабост в самата система на кацане, а на човешкия фактор.
1999 година – сондите „Дийп Спейс 2” – без парашути, без спирачни двигатели, без амортизиращи възглавници – но и без успех
Микросондите "Дийп Спейс 2". Photo credit : NASA/JPL
През 1999 година НАСА изпраща към Марс два космически апарата – «Марс Клаймит Орбитър» (орбитална автоматична междупланетна станция) и «Марс Полър Лендър» (спускаема автоматична станция). И двете автоматични станции са загубени – «Клаймит Орбитър» поради програмна грешка, докато на «Полър Лендър» точната причина никога не е установена. «Полър Лендър» използва системата за кацане на «Викинг» с парашути и спускаеми ретро ракети. Много съм писал за евентуалните причини за аварията на «Полър Лендър» и тук няма да се спирам подробно.
Но понеже темата 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 момент не съм се спирал подробно на страниците на уебсайта.
Двете микросонди «Дийп Спейс 2» са тежали едва 3.5 килограма! Сондите били монтирани странично към «Марс Полър Лендър» и по време на целия път не са имали връзка със Земята. Те не са били захранвани от слънчеви батерии, а са се захранвали от две литий-тионил хлоридни батерии, които по план е трябвало да осигурят достатъчно електроенергия, за да захранят апаратурата за три дни след кацането. Самите микросонди не са имали никаква активна система за навлизане в атмосферата, нито за кацане на Марс – те не са имали нито парашути, нито спирачни ракетни двигатели. Целта е била да се забият в повърхността на Марс с висока скорост – от около 200 метра в секунда, при което задният щит е щял да се разкъса, 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, но контакт с тях никога не е установен след кацането. Не е ясно каква е причината за провала. Счита се, че батериите не са имали достатъчно мощност, или пък просто апаратурата не е оцеляла при силния удар с повърхността. Така или иначе това е единственият експеримент от този тип, за който е бил направен опит на повърхността на Марс. Оттогава насам такива микросонди не са летяли към Червената планета.
Предимства и недостатъци на отделните системи за кацане на Марс
След близо четиридесет години опити на човек да достигне повърхността на Марс, до ден днешен на Червената планета са успели да кацнат благополучно едва 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 космически апарати са извършвали успешни кацания на повърхността на Червената планета и са работили на повърхността за различен период от време, като най-малко (по-малко от 15 секунди) е работил „Марс 3”, а най-дълго е работил марсоходът „Опортюнити” – от януари 2004 г. до ден днешен (22 юли 2012 г.).
Спускаемите апарати на Марс изпратиха към Земята обширна научна информация за текущото състояние на Червената планета и затвърдиха вярата, че ако човечеството някога има космическо бъдеще и възможност да заживее на друга планета, това бъдеще ще е на Марс. Днес знаем със сигурност, че водата под формата на лед е широкоразпространена не само на полюсите, но и в дълбочина под повърхността извън полярните райони. Някои научни данни дори позволяват да се предполага, че през определени сезони на Марс има и течна вода. Марс е голяма планета и разполага с огромна повърхност, колкото земните континенти! На Марс има климат, в небето се появяват облаци, от които понякога падат валежи (до този момент са установени валежи от сняг). Температурите, макар и рядко надвишаващи нулата, не са екстремни като на други планети. Снимките, изпращани от съвременните космически апарати като „Опортюнити” станаха толкова популярни, че се появи ново поколение космически ентусиасти. Някои хора дори правят научни открития на базата на тези снимки – от собствения си дом и със собствения си компютър.
Но независимо от тези големи успехи и независимо от дългите години, които са изминали от навлизането на човечеството в космическата епоха, кацането на Марс си остава трудно. Изпращането на спускаем апарат на Червената планета продължава да бъде едно от върховите постижения на съвременния високотехнологичен свят. Процедурата по навлизането в атмосферата и спускането на повърхността все още не е достатъчно рутинна, доколкото, разбира се, може да се каже, че космически полет може да бъде рутинен. Все пак човек би се радвал да имаме същата сигурност при изпращането на апарат на Марс, каквато имаме при изстрелването на човек в космоса със „Союз” или изпращането на изкуствен спътник в околоземна орбита – ние просто знаем, че при повече от 90% от случаите изстрелванията са успешни и сме донякъде спокойни до такава степен, че по-голяма част от въпросните изстрелвания изобщо не се споменават в новините и ние не се притесняваме за тях. При Марс обаче нещата са различни – всеки полет е изпълнен с напрежение, страх и нерви. И никаква сигурност, че всичко ще проработи.
Спускаемите апарати с крачета са разработени през 60-те години на миналия век по време на безпилотната лунна програма „Сървеър” и пилотираната програма „Аполо”, при която човек за първи път стъпи на Луната. По-късно през 70-те години сходна система е разработена за сондите „Викинг”, а през 2008 е използвана и при „Феникс”-овото успешно кацане на Марс. Тази система за кацане е изпипана и отработена добре, но за да сработи успешно екипът трябва да премине през редица предизвикателства. Тя не е лишена от недостатъци.
На първо място спускаемият апарат с крачета трябва да е в състояние да кацне безопасно в регион, който е осеян с различни скали. В такъв случай или крачетата на апарата трябва да са достатъчно дълги, да не би скалите да ударят самото тяло на спускаемия апарат и да повредят апаратурата. Другият вариант е самото тяло да бъде направено издръжливо на удар. Нито едно от тези решения не е особено привлекателно. В единия случай спускаемият апарат ще бъде висок, а в другия ще е твърде тежък. Това от своя страна води до намаляване на неговата стабилност и може да провали кацането, особено ако теренът отдолу е наклонен, а не водоравен. Обикновено спирачните ракетни двигатели се изключват по команда в момента, когато едно от трите крачета докосне повърхността – тогава сензор дава команда към компютъра, който прекратява работата на двигателите. Можете да се сетите, че при наклонен терен само едно от крачетата ще достигне първо до повърхността и когато двигателите се изключат, спускаемият апарат ще падне на останалите две крачета по инерция. Това може да дестабилизира спускаемия апарат и да го преобърне. Затова при пилотираните експедиции до Луната „Аполо” по време на крайните етапи от кацането човек е бил този, който е изключвал двигателя при съприкосновението с повърхността и е преценявал кога кацането може да бъде безопасно.
До този момент на крачета са кацали на Марс всички стационарни спускаеми апарати (без марсоходи) – „Викинг 1”, „Викинг 2” и „Феникс”. Инструментите са били монтирани на корпуса на апарата и с помощта на роботизирана ръка е била загребвана почвена проба за по-нататъшни изследвания. Тук веднага изниква голям недостатък – роботизираната ръка е с ограничен обхват и може да загребва почва само в околността на спускаемия апарат – но тази околност преди самото кацане е била изложена на работата на ракетните двигатели. Работата на ракетните двигатели е един от основните рискови фактори за замърсяване на пробите и тя е била причина за главоболие при гореспоменатите спускаеми мисии.
При другата система за кацане – с помощта на въздушни възглавници – се елиминират част от проблемите, споменати при кацането с крачета. На първо място системата с въздушните възглавници има форма на правилна триъгълна пирамида (тетраедър). Тя може да се търкаля на Марс неограничено време. Инженерите не се страхуват, че апаратът може да се преобърне. При кацането на „Спирит” апаратът спрял на повърхността на Марс с основната страна надолу, към повърхността. „Опортюнити” обаче кацнал странично. И в двата случая нямало проблем - след разгръщането на страните на пирамидалния спускаем апарат той се озовавал в правилна позиция. Системата за кацане с въздушни възглавници е евтина и може да се разработи сравнително бързо.
С това обаче предимствата приключват. Системата за кацане с въздушни възглавници си има своите недостатъци. На първо място не е възможно да се определи точното място за кацане – спускаемият апарат може да се търкаля произволно дълго време и да спре във всеки един момент. Освен това кацането с въздушни възглавници е значително по-твърдо от кацането на крачета и това създава ограничения при избор на научна апаратура за марсохода – тя трябва да е достатъчно издръжлива на удар. Не на последно място след кацането въздушните възглавници трябва да се раздуят и да бъдат сгънати поне до такава степен, за да може марсоходът да излезе на повърхността. Това е създало навремето значителни главоболия за „Спирит”.
Новият метод за кацане – „Небесен кран”, с помощта на който марсоходът „Кюриозити” трябва да се спусне на 6-ти август 2012 г.
На илюстрацията - кацането на марсохода "Кюриозити", което трябва да се случи на 6 август 2012 г. Image credit : NASA/JPL
За кацането на марсохода „Кюриозити” е разработена система от трето поколение, която трябва да елиминира проблемите на системите от първо и второто поколение – на ретроракетите и спирачните въздушни възглавници. На първо място трябва да бъдат премахнати вторичните системи за освобождаване на марсохода след кацане, които създават редица пречки. Системата „небесен кран” е предвидена да работи по такъв начин – марсоходът „Кюриозити” ще бъде спуснат на три въжета от спускаемата платформа направо върху марсианската повърхност и веднага след кацането си ще бъде в пълна готовност за работа и няма да се налага да преодолява препятствията на отработената апаратура за кацане.
Всъщност, ако трябва да сме коректни, системата „небесен кран” не се отличава чак толкова много от стандартните системи за кацане със спирачни ракетни двигатели. Разликата е, че при стандартните спускаеми апарати с крачета двигателите се намират отдолу, а в горната част се намира научната апаратура. При системата „небесен кран” нещата са обърнати – марсоходът се намира отдолу, а спирачните ракетни двигатели са отгоре. Така се елиминира още един недостатък – спирачните ракетни двигатели ще работят във височина и няма да замърсяват околния район (както и апаратурата на марсохода), докато самият той ще се намира ниско, на края на въжетата. Трети недостатък, който се елиминира, е необходимостта ракетните двигатели да бъдат изключени веднага след кацането. Операциите при кацането няма да бъдат прекратени незабавно, радарът ще продължи да работи дори в момента, когато колелата на марсохода докосват повърхността. Това ще осигури по-голям контрол и сигурност в тези последни моменти на кацането, а скоростта при съприкосновение с повърхността ще бъде значително по-ниска.
Интересното е, че при кацането с „небесен кран” няма нужда да се използват стандартни сензори, каквито са се използвали при предходни спускаеми мисии. Системата работи на съществено по-опростен принцип и така рискът се намалява. Казано на максимално прост език, спускаемата степен наблюдава промените в силата, която е необходима за да се поддържа постоянна скорост от 0.75 метра в секунда пътуване към повърхността. Първоначално трябва да се използва по-голяма сила, съответно двигателите трябва да работят с по-голяма тяга, за да издигат едновременно спускаемата платформа и марсоходът, който виси в нейния край. Когато марсоходът достигне повърхността, тогава двигателите работят при по-малка тяга, защото те трябва да поддържат само платформата. Запази ли се тази тенденция за секунда и половина, компютърът счита кацането за завършено, специални пиропатрони отделят марсохода от въжетата и платформата излита настрани на безопасно разстояние. Тази технология се счита за далеч по-надеждна от технологията за кацане на апарати с крачета – все пак счита се, че причината за провал при „Марс Полър Лендър” през 1999 година е именно фалшиво подаден сигнал за кацане на сензорите на крачетата, което довело до преждевременно изключване на спирачните двигатели.
Вместо финал
Марсоходите на НАСА стават все по-големи - отпред мъничкият марсоход е модел на "Съджърнър" от мисия "Марс Патфайндър" през 1997 г. Вляво - марсоход от типа на "Спирит" и "Опортюнити". Вдясно - модел на марсохода "Кюриозити". Photo credit : Thomas A. Dutch Slager/NASA
През последните няколко години ясно се вижда тенденция към усъвършенстване на технологиите за кацане. Няма как да не обърнем внимание, че НАСА се старае да изпраща все по-големи и по-големи космически апарати към марсианската повърхност. Ако през 1997 година марсоходът „Съджърнър” имаше размер на детска количка, то през 2004 година пристигнаха „Спирит” и „Опортюнити” с човешки ръст. Сега на Марс пристига еднотонен робот с размер на лек автомобил. Ако кацането на „Кюриозити” е успешно, което далеч не е сигурно, тогава човечеството ще е разработило технология, способна да доставя полезен товар на Марс с тегло един тон!
Бавно, но постепенно човечеството работи по проблема за изпращането на все по-тежки и по-тежки машини на Марс. Може би по-бавно, отколкото ни се иска на нас, космическите ентусиасти. За да бъде изпратен човек на Марс ще е необходим спускаем апарат с всичките необходими животоподдържащи системи – т.е. многократно по-тежък от „Кюриозити”! Мисията на „Кюриозити” е една от първите стъпки към тази цел – след което трябва да последват още нови и нови стъпки, все по нови и все по-авангардни системи за кацане. Все пак вярвам, че някой ден наистина ще видим човешки крак, стъпващ по червеникавия пясък на Червената планета.