Paracaídas supersónicos espaciales

Estamos acostumbrados al hecho de que un paracaídas es lo que se revela en la etapa final del aterrizaje. Pero esto sucede en nuestras condiciones terrenales. La densidad de la atmósfera es suficiente para que el domo reduzca la velocidad de la disminución. Y luego, a los paracaidistas se les enseña a tomar la posición correcta para no romperse las piernas, y la técnica se sienta con amortiguadores inflables o motores de aterrizaje suave que se encienden en los últimos segundos. Pero en el sistema solar en los cuerpos celestes, las diferentes condiciones y, a veces, los paracaídas actúan en el papel inusual de una etapa intermedia de aterrizaje. Se abren a velocidades enormes, supersónicas y, en el mejor de los casos, en forma y proporciones, solo remotamente nos recuerdan domos terrenales familiares. Y para reducir la velocidad en la atmósfera, se ofrecen diseños muy especiales.


La "curiosidad" está cayendo en paracaídas, foto del Orbitador de Reconocimiento de Marte / NASA

Un poco de física

El paracaidista que salta del avión experimenta gravedad cero solo los primeros momentos. La fuerza de la resistencia del aire crece en proporción al cuadrado de la velocidad, y muy rápidamente el paracaidista alcanzará la velocidad límite de caída, cuando la fuerza de la gravedad y la resistencia aerodinámica estén equilibradas. La resistencia depende de la forma del cuerpo, por lo que para un paracaidista típico que cae plano en la troposfera, la velocidad límite de caída es de aproximadamente 50 m / s, y en la primera etapa Falcon 9, antes del último encendido del motor y aterrizaje, es de aproximadamente 300 m / s. Estas velocidades están relacionadas porque son subsónicas. Incluso la etapa Falcon 9, que cae verticalmente y frena menos, de manera independiente disminuye la velocidad por debajo de la velocidad del sonido incluso antes de que el motor finalmente se encienda. Y para romper el récord de velocidad en una caída libre, Felix Baumgartner tuvo que subir en un globo de estratosfera a una altitud de casi 39 km, donde la atmósfera es rara y retrasa menos la caída.


Orion nave espacial paracaídas flujo alrededor, fuente

La forma del paracaídas al que estamos acostumbrados fue elegida experimentalmente para crear la máxima resistencia con un área mínima. Y si observamos cómo fluye el aire alrededor de un paracaídas ordinario, subsónico, veremos una imagen bastante obvia: la cubierta del paracaídas actúa como un obstáculo para el movimiento del aire. El aire fluye parcialmente alrededor del domo y forma detrás de él una zona de gran sombra aerodinámica con vórtices. Un movimiento de aire más rápido en el centro es el resultado de un orificio hecho especialmente para que el domo no se balancee.


Flujo estimado y real alrededor de un paracaídas supersónico, imagen de vorticidad

Sin embargo, a velocidad supersónica, el carácter del flujo alrededor de un cuerpo que se mueve en el aire cambia radicalmente. Se forma una onda de choque frente a ella (onda de choque). Las primeras pruebas mostraron que las cúpulas ordinarias se vuelven inestables, era necesario aumentar la permeabilidad de la cúpula y experimentar con su forma. Además, el funcionamiento del domo se ve afectado por la perturbación del frente de la carga útil voladora, es necesario seleccionar la longitud correcta de las líneas para que el domo no comience a colapsarse.


El comportamiento de los paracaídas depende de la velocidad y la permeabilidad del tejido. El área debajo, el paracaídas se balancea, la línea punteada, el área donde el paracaídas se colapsa y se llena nuevamente

En condiciones terrestres, los paracaídas reducen la velocidad de docenas (50 para un paracaidista, 90 para la nave espacial Soyuz) a unidades de metros por segundo. Por ejemplo, el Soyuz SA a una altitud de 9-11 km tiene una velocidad límite de descenso de 240 m / s, lo extingue a 90 m / s con un pequeño paracaídas de frenado de 14 m2 y abre el paracaídas principal. En los últimos metros de aterrizaje, la Soyuz SA disminuye a una velocidad de 9 m / s, y el domo redondo habitual D-1-5u proporciona aproximadamente 5 m / s. Ambas velocidades son lo suficientemente altas como para ser peligrosas si la superficie se toca descuidadamente, por lo que se les enseña a los paracaidistas a mantener los pies juntos, y Soyuz SA incluye motores de freno especiales para aterrizaje suave.


La llama del DMP funciona muy bien. Foto de aterrizaje "Soyuz MS-11", NASA / Bill Ingals

¿Es posible prescindir de un motor de aterrizaje suave? Si intenta aumentar el área y, en consecuencia, la masa del domo, para reducir la velocidad de disminución, entonces, para una velocidad segura, se volverá irracionalmente grande. Todavía hay una opción para poner el barco en el agua (Mercurio, Géminis, Apolo, Orión), si el barco entra en el agua en ángulo, entonces funciona como un amortiguador. También puede inflar bolsas de aire (Boeing Starliner).

Y en la superficie de Marte, la presión es 160 veces menor que la de la Tierra, por lo que para la etapa final de aterrizaje de paracaídas definitivamente no es suficiente: si mueves un paracaidista de la Tierra en un equipo estándar a Marte, entonces, después de abrir el domo, se rompería y golpearía la superficie a una velocidad de ~ 60 m / s 200 km / h). La velocidad máxima de la caída del paracaidista antes de la apertura de la cúpula para Marte es aproximadamente seis veces mayor que la de la Tierra: ~ 280 m / s (cerca de la superficie). Es más alta que la velocidad del sonido en Marte: ~ 244 m / s.

Como resultado, aterrizar en Marte es diferente de regresar a la Tierra. En la primera etapa, el vehículo de descenso reduce la velocidad de varios kilómetros por segundo a aproximadamente 400 m / s, estando en una envoltura aerodinámica con un escudo térmico. Luego se abre un paracaídas supersónico, frenando el vehículo de descenso a unos 60-100 m / s. Y, finalmente, la tercera etapa de aterrizaje final se distingue por la más amplia variedad de soluciones técnicas: los dispositivos descienden en sus motores (Vikings, MARS InSight, Skiaparelli), son frenados por motores reiniciables y aterrizan en amortiguadores inflables (Mars Pathfinder, Spirit / Opportunity rovers) ), caigan a la superficie bajo una plataforma especial en motores de cohete (Curiosity), y los vehículos livianos no tengan motores de freno (Beagle-2) o, al frenarlos, caigan sobre el amortiguador ("Mars-3").

Reutilización creativa

Tanto la URSS como los EE. UU., A punto de enviar dispositivos para un aterrizaje suave en Marte, se enfrentaron a la tarea de probar sus sistemas. Y si el comportamiento de la protección térmica ya se conocía a partir de las pruebas de las ojivas de misiles intercontinentales y los vehículos que regresaban de la órbita de la Tierra, y la etapa final de aterrizaje se podía verificar soltando los dispositivos desde un helicóptero, entonces se debían seleccionar condiciones especiales para verificar el funcionamiento del paracaídas supersónico. Afortunadamente, esto podría hacerse en la Tierra. A una altitud de 30-40 km, la densidad de la atmósfera no difiere mucho de la marciana, y utilizando motores de cohetes, los bancos de pruebas podrían dispersarse a velocidades supersónicas. Y a ambos lados del océano, a los ingenieros se les ocurrieron soluciones similares. En la URSS, los paracaídas supersónicos para Marte se probaron al elevarlos a la estratosfera en cohetes meteorológicos M-100B. Las pruebas resultaron ser útiles, los recuerdos hablan sobre la tendencia de la primera versión del paracaídas a colapsar a una velocidad de 3.5M, lo que notaron y pudieron corregir.

En los Estados Unidos, el banco de pruebas "Viking" fue algo más complicado: el dispositivo se elevó a una altura de 36 km en un globo estratosférico y luego se dispersó por motores de combustible sólido. Incluso los marcos de prueba de agosto de 1972 han sobrevivido. Tuvieron suerte: las películas fueron olvidadas en el gabinete desmantelado y vendido y casi se perdieron, pero el caso y el entusiasta del espacio no les permitieron desaparecer.



Se llevaron a cabo un total de 4 pruebas, todas exitosas, pero no porque tuvieron la suerte inmediata de encontrar una solución técnica adecuada. El hecho es que el programa Viking utilizó los logros de los años 60 para crear paracaídas para naves espaciales: el Programa de paracaídas de entrada planetaria (PEPP), el Decelerador de entrada planetaria supersónico (SPED) y el Experimento de paracaídas de gran altitud supersónico (SHAPE), y vuelos de prueba fueron solo el pináculo del programa de prueba, incluidas las pruebas de túnel de viento, las pruebas de lanzamiento y las pruebas de lanzamiento de pirotecnia.

Se llevaron a cabo un total de 16 vuelos de prueba en PEPP, SPED y SHAPE, de los cuales solo 11 tuvieron éxito. En base a experimentos anteriores, se probaron los tres tipos de cúpulas más prometedores: el anillo de anillo, el cruciforme y el tipo de franja de espacio en disco (disco- gap-band, DGB).


Pruebas de cúpula cruzada

El último tipo, DGB, demostró ser el más adecuado en términos de potencia de frenado y estabilidad para el despliegue supersónico. Fue él quien comenzó a ser puesto en dispositivos de la NASA en las siguientes décadas.


Prueba de domo DGB

No marte uno

El atento lector preguntará: “¿Y por qué la conversación es solo sobre Marte? ¿Qué hay de otros planetas? Marte es la arena más frecuente para un paracaídas supersónico, pero no el único. Y si pensabas en Venus, te equivocaste: la densidad de su atmósfera es tal que los vehículos de descenso se reducen a velocidades subsónicas incluso antes de que se abra el paracaídas, y las condiciones para el descenso en paracaídas son comparables a las terrestres. La velocidad del sonido en Venus fue de ~ 410 m / s, y el primer dispositivo, que disminuyó en su atmósfera, "Venus-4", abrió un paracaídas a una velocidad de aproximadamente 210 m / s. Se utilizó un paracaídas supersónico al descender en el Titán. Además, teniendo en cuenta las características atmosféricas del satélite Saturno, se utilizó una curiosa solución técnica en la sonda europea Huygens: al principio, a una velocidad de 400 m / s (para Titán es de aproximadamente 2M), se abre un paracaídas supersónico. Y después de 15 minutos se reinicia y se abre el paracaídas de frenado / aterrizaje. El hecho es que el área del paracaídas supersónico rápidamente se vuelve redundante, y la sonda podría congelarse antes de llegar a la superficie. Por lo tanto, el segundo paracaídas de un área más pequeña proporciona una velocidad inicial de descenso de 94 m / s, que disminuye a la superficie a 4,7 m / s debido a un aumento en la densidad de la atmósfera.


Descenso de Huygens a Titán

En el aniversario, 20 años de la misión, se desplegó un paracaídas para disparar al canal Discovery.


Sistemas de fotovorticidad

Un lector atento verá en esta fotografía el diseño ya conocido de DGB a Banda-D. De hecho, las tecnologías desarrolladas en los aparatos marcianos fueron útiles en un rincón completamente diferente del sistema solar.

Como estamos hablando de dispositivos europeos, podemos recordar el "Schiaparelli", que se estrelló en la etapa final, pero fue capaz de frenar con bastante éxito un paracaídas supersónico en el DGB.


Fotos de la ESA

Platillos voladores inflables

Las leyes de la física no han cambiado, y el paracaídas DGB se puede usar ahora, pero para dispositivos relativamente pequeños. Luego comienza la zona inexplorada: en los años 60, la única prueba con una carga de más de una tonelada falló. Se puede ganar un poco de capacidad de elevación mediante el uso de nuevos materiales de dosel y eslinga, pero Curiosity se ha acercado al límite de seguridad que la tecnología antigua podría proporcionar. Pero quiero aterrizar en Marte con aparatos cada vez más pesados. Necesitas encontrar algo nuevo. Tal proyecto experimental fue el desacelerador supersónico de baja densidad (LDSD). Aquí están tratando de implementar dos cambios a la vez. En primer lugar, el paracaídas DGB se cambia a bungee redondo. En segundo lugar, para reducir aún más la velocidad, el área de la cubierta de aire se incrementa al inflar el "collar" anular.


Imagen de la NASA

El nuevo sistema tendrá que proporcionar aterrizaje en las sondas de 2-3 toneladas de Marte. Pero en dos pruebas se rompió el paracaídas. El tercero se esperaba en 2016, pero hasta ahora no se ha escuchado nada sobre él.





Por lo tanto, el paracaídas para el rover 2020 aún puede establecer récords, abrir en 0.4 segundos y soportar una carga máxima de 37 toneladas, pero aterrizar algo más pesado que el rover 2020, simplemente aumentarlo no funcionará.


Divulgación del paracaídas Rover 2020

Shuttlecock

La idea del "collar" de apertura de LDSD se basa en un enfoque fundamentalmente diferente, cuando en lugar del paracaídas habitual se utiliza un volante inflable. Y aquí lo último en tiempo serán varias pruebas rusas de diferentes grados de éxito. En 2000, el bloque de refuerzo Frigate y la cápsula con instrumentos entraron en órbita. Frenaron para entrar en la atmósfera y abrieron los volantes antes de entrar en sus densas capas. De la "Fragata" solo encontraron tanques de titanio, pero la cápsula, a pesar del fracaso del segundo "collar" más ancho, sobrevivió a la caída. En 2001 y 2002, desafortunadamente, no pudieron encontrar una carga útil. A principios de 2005, el banco de pruebas se puso en contacto, después de pasar la etapa de frenado en la nube de plasma, pero después de 23 segundos quedó en silencio y no se pudo encontrar en el área de la caída. A pesar de la falta de ensayos exitosos, la ONG lleva el nombre de Lavochkina y SIC nombrados en honor a Babakin tienen grandes esperanzas para el concepto. Al otro lado del océano, en la NASA, hay proyectos similares LOTFID y HIAD-2.


Bloque de aceleración "Fragata" con "volante", ilustración del Centro de Investigación que lleva el nombre de G.N. Babakina

Challenge 2020

En 2020, no solo el rover de la NASA, sino también el módulo Exomars ruso-europeo, que incluirá el rover Rosalind Franklin y la plataforma Cossack, irán a Marte. Una característica interesante de la plataforma de aterrizaje, el 80% de las cuales las convierte en ONG. Lavochkina, son dos paracaídas. Primero, se abrirá el tipo DGB supersónico habitual, luego, cuando la velocidad se vuelva subsónica, se abrirá un segundo paracaídas de ala redonda con un diámetro de 35 metros, el más grande en la historia del estudio de Marte.


Imagen de la ESA

Según las últimas noticias , aparecieron lagunas en ambos paracaídas durante una prueba reciente. No fueron suficientes para hacer que el esfuerzo de frenado fuera insuficiente, pero el problema, por supuesto, necesita ser solucionado. Afortunadamente, todavía hay tiempo para esto: Exomars 2020 volará en junio de 2020.

Conclusión

Los paracaídas siguen siendo efectivos principalmente debido a su bajo peso. E incluso si la nave espacial SpaceX, para la cual se propone utilizar alas y motores para aterrizar, inicia sondas no tripuladas durante mucho tiempo, utilizará tecnologías comprobadas: un paracaídas supersónico más el frenado desde una velocidad relativamente baja es más ventajoso en masa que frenar exclusivamente en motores con supersónico

Material preparado para el portal N + 1 , publicado en la edición original.