Weltraum-Überschallfallschirme

Wir sind daran gewöhnt, dass ein Fallschirm in der letzten Phase der Landung enthüllt wird. Dies geschieht jedoch unter unseren irdischen Bedingungen. Die Dichte der Atmosphäre reicht aus, damit die Kuppel die Abnahmerate verlangsamt. Und dann wird den Fallschirmjägern beigebracht, die richtige Position einzunehmen, um sich nicht die Beine zu brechen, und die Technik setzt sich mit aufblasbaren Stoßdämpfern oder Motoren mit weicher Landung zusammen, die sich in den letzten Sekunden einschalten. Aber im Sonnensystem auf Himmelskörpern spielen unterschiedliche Bedingungen und manchmal Fallschirme die ungewöhnliche Rolle der Zwischenstufe der Landung. Sie öffnen sich mit enormen Überschallgeschwindigkeiten und erinnern uns in Form und Proportionen bestenfalls nur entfernt an vertraute, irdische Kuppeln. Und um die Atmosphäre zu verlangsamen, werden ganz besondere Designs angeboten.


"Curiosity" fällt mit dem Fallschirm, Foto vom Mars Reconnaissance Orbiter / NASA

Ein bisschen Physik

Der aus dem Flugzeug springende Fallschirmspringer erfährt erst in den ersten Augenblicken die Schwerelosigkeit. Die Kraft des Luftwiderstands wächst proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit, und sehr schnell erreicht der Fallschirmspringer die begrenzte Fallgeschwindigkeit, wenn die Schwerkraft und der Luftwiderstand ausgeglichen sind. Der Widerstand hängt von der Form des Körpers ab. Für einen typischen Fallschirmspringer, der flach in die Troposphäre fällt, beträgt die Grenzfallgeschwindigkeit etwa 50 m / s und in der ersten Falcon 9-Stufe vor dem letzten Einschalten des Motors und der Landung etwa 300 m / s. Diese Geschwindigkeiten hängen insofern zusammen, als sie Unterschall sind. Selbst die Falcon 9-Stufe, die vertikal abfällt und am wenigsten bremst, verlangsamt selbständig die Schallgeschwindigkeit, noch bevor der Motor endgültig eingeschaltet wird. Und um den Geschwindigkeitsrekord im freien Fall zu brechen, musste Felix Baumgartner auf einem Stratosphärenballon auf eine Höhe von fast 39 km klettern, wo die Atmosphäre verdünnt ist und der Fall weniger verzögert wird.


Orion Raumschiff Fallschirm fließen um, Quelle

Die Form des Fallschirms, an den wir gewöhnt sind, wurde experimentell ausgewählt, um maximalen Widerstand bei minimaler Fläche zu erzeugen. Und wenn wir uns ansehen, wie die Luft um einen gewöhnlichen Unterschallfallschirm strömt, sehen wir ein ziemlich offensichtliches Bild - der Baldachin des Fallschirms wirkt als Hindernis für die Luftbewegung. Die Luft strömt teilweise um die Kuppel herum und bildet dahinter eine Zone mit großem aerodynamischen Schatten und Wirbeln. Eine schnellere Luftbewegung in der Mitte ist das Ergebnis eines speziell angefertigten Lochs, damit die Kuppel nicht schwingt.


Geschätzter und tatsächlicher Fluss um einen Überschallfallschirm, Vorticity-Bild

Bei Überschallgeschwindigkeit ändert sich jedoch der Charakter der Strömung um einen Körper, der sich in Luft bewegt, radikal. Davor bildet sich eine Stoßwelle (Stoßwelle). Die ersten Tests zeigten, dass gewöhnliche Kuppeln instabil werden. Es war notwendig, die Durchlässigkeit der Kuppel zu erhöhen und mit ihrer Form zu experimentieren. Auch der Betrieb der Kuppel wird durch die Störung von der Vorderseite der fliegenden Nutzlast beeinflusst. Es ist notwendig , die richtige Länge der Linien auszuwählen, damit die Kuppel nicht zu kollabieren beginnt.


Das Verhalten von Fallschirmen hängt von der Geschwindigkeit und Durchlässigkeit des Gewebes ab. Der Bereich darunter - der Fallschirm schwankt, die gestrichelte Linie - der Bereich, in dem der Fallschirm zusammenbricht und wieder gefüllt wird

Unter terrestrischen Bedingungen reduzieren Fallschirme die Geschwindigkeit von Dutzenden (50 für einen Fallschirmjäger, 90 für das Sojus-Raumschiff) auf Einheiten von Metern pro Sekunde. Beispielsweise hat die Sojus SA in einer Höhe von 9 bis 11 km eine Grenzabstiegsgeschwindigkeit von 240 m / s, löscht sie mit einem kleinen Bremsfallschirm von 14 m2 auf 90 m / s und öffnet den Hauptfallschirm. Auf den letzten Metern der Landung nimmt die Sojus SA mit einer Geschwindigkeit von 9 m / s ab, und die übliche runde Kuppel D-1-5u liefert etwa 5 m / s. Beide Geschwindigkeiten sind hoch genug, um gefährlich zu sein, wenn die Oberfläche unachtsam berührt wird. Daher lernen Fallschirmspringer, ihre Füße zusammenzuhalten, und Soyuz SA enthält spezielle Bremsmotoren für die weiche Landung.


Die Flamme des DMP funktioniert sehr schön. Landung "Sojus MS-11", Foto von NASA / Bill Ingals

Kann man auf einen Soft Landing Engine verzichten? Wenn Sie versuchen, die Fläche und folglich die Masse der Kuppel zu vergrößern, um die Geschwindigkeit des Abfalls zu verringern, wird sie für eine sichere Geschwindigkeit irrational groß. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, das Schiff auf das Wasser zu setzen (Merkur, Zwillinge, Apollo, Orion). Wenn das Schiff in einem Winkel ins Wasser eintaucht, funktioniert es wie ein Stoßdämpfer. Sie können auch Airbags (Boeing Starliner) aufblasen.

Und auf der Marsoberfläche ist der Druck 160-mal geringer als auf der Erde. Für die letzte Phase der Landung von Fallschirmen reicht es also definitiv nicht aus. Wenn Sie einen erdgestützten Fallschirmjäger in Standardausrüstung zum Mars bewegen, bricht er nach dem Öffnen der Kuppel und trifft mit einer Geschwindigkeit von ~ 60 m / s auf die Oberfläche. 200 km / h). Die maximale Geschwindigkeit des Sturzes des Fallschirmspringers vor dem Öffnen der Kuppel für den Mars ist etwa sechsmal höher als die der Erde - ~ 280 m / s (in der Nähe der Oberfläche). Es ist höher als die Schallgeschwindigkeit auf dem Mars - ~ 244 m / s.

Infolgedessen unterscheidet sich die Landung auf dem Mars von der Rückkehr zur Erde. In der ersten Phase reduziert das Abstiegsfahrzeug die Geschwindigkeit von mehreren Kilometern pro Sekunde auf etwa 400 m / s und befindet sich in einer Aero-Hülle mit Hitzeschild. Dann öffnet sich ein Überschallfallschirm, der das Abstiegsfahrzeug auf etwa 60-100 m / s bremst. Und schließlich zeichnet sich die dritte, letzte Landestufe durch die unterschiedlichsten technischen Lösungen aus - die Geräte basieren auf ihren Motoren (Wikinger, MARS InSight, Skiaparelli), werden von rücksetzbaren Motoren gebremst und landen in aufblasbaren Stoßdämpfern (Mars Pathfinder, Spirit / Opportunity Rover). ), unter einer speziellen Plattform auf Raketentriebwerken (Curiosity) an die Oberfläche fallen, und leichte Fahrzeuge verzichten auf Bremsmotoren (Beagle-2) oder fallen beim Bremsen auf den Stoßdämpfer („Mars-3“).

Kreative Wiederverwendung

Sowohl die UdSSR als auch die USA, die Geräte für die sanfte Landung auf dem Mars senden wollten, standen vor der Aufgabe, ihre Systeme zu testen. Und wenn das Verhalten des Wärmeschutzes bereits aus Tests von Interkontinentalraketen-Sprengköpfen und Fahrzeugen bekannt war, die aus der Erdumlaufbahn zurückkehren, und die letzte Landestufe durch Ablegen der Geräte aus einem Hubschrauber überprüft werden konnte, mussten spezielle Bedingungen ausgewählt werden, um den Betrieb des Überschallfallschirms zu überprüfen. Glücklicherweise könnte dies auf der Erde geschehen. In einer Höhe von 30 bis 40 km unterscheidet sich die Dichte der Atmosphäre nicht wesentlich von der des Mars, und mit Raketentriebwerken könnten Prüfstände auf Überschallgeschwindigkeit verteilt werden. Auf beiden Seiten des Ozeans entwickelten die Ingenieure ähnliche Lösungen. In der UdSSR wurden Überschallfallschirme für den Mars getestet, indem sie mit meteorologischen M-100B-Raketen in die Stratosphäre gehoben wurden. Die Tests erwiesen sich als nützlich. Die Erinnerungen berichten von der Tendenz der ersten Version des Fallschirms, mit einer Geschwindigkeit von 3,5 m zusammenzubrechen, was sie bemerkten und korrigieren konnten.

In den USA war der Prüfstand „Viking“ etwas komplizierter - das Gerät wurde mit einem Stratosphärenballon auf eine Höhe von 36 km angehoben und dann von Festbrennstoffmotoren verteilt. Sogar die Testrahmen vom August 1972 haben überlebt. Sie hatten Glück - die Filme wurden im stillgelegten und verkauften Kabinett vergessen und gingen fast verloren, aber der Fall und der Weltraumbegeisterte ließen sie nicht verschwinden.



Insgesamt wurden 4 Tests durchgeführt , die alle erfolgreich waren, aber nicht, weil sie sofort das Glück hatten, eine geeignete technische Lösung zu finden. Tatsache ist, dass das Viking-Programm die Errungenschaften der 60er Jahre nutzte , um Fallschirme für Raumfahrzeuge herzustellen - das Planetary Entry Parachute Program (PEPP), das Supersonic Planetary Entry Decelerator (SPED) und das Supersonic High Altitude Parachute Experiment (SHAPE) sowie Testflüge waren nur der Höhepunkt des Testprogramms, einschließlich Windkanaltests, Wurftests und Pyrowerfertests.

Insgesamt wurden 16 Testflüge bei PEPP, SPED und SHAPE durchgeführt, von denen nur 11 erfolgreich waren. Basierend auf früheren Experimenten wurden die drei vielversprechendsten Kuppeltypen getestet - der Ringail-, der Kreuz- und der Disk-Gap-Strip-Typ (Disk- Gap-Band, DGB).


Cross Dome Tests

Der letztere Typ, DGB, erwies sich hinsichtlich Bremsleistung und Stabilität für den Überschalleinsatz als am besten geeignet. Er war es, der in den folgenden Jahrzehnten begann, NASA-Geräte einzusetzen.


DGB Dome Testing

Nicht Mars One

Der aufmerksame Leser wird fragen: „Und warum wird nur über den Mars gesprochen? Was ist mit anderen Planeten? " Der Mars ist die häufigste Arena für einen Überschallfallschirm, aber nicht die einzige. Und wenn Sie an die Venus gedacht haben, haben Sie sich geirrt - die Dichte ihrer Atmosphäre ist so groß, dass die Abstiegsfahrzeuge bereits vor dem Öffnen des Fallschirms auf Unterschallgeschwindigkeit verlangsamt werden und die Bedingungen für den Abstieg auf einem Fallschirm mit denen auf der Erde vergleichbar sind. Die Schallgeschwindigkeit auf der Venus betrug ~ 410 m / s, und das erste Gerät, dessen Atmosphäre „Venus-4“ abnahm, öffnete einen Fallschirm mit einer Geschwindigkeit von etwa 210 m / s. Beim Abstieg auf den Titan wurde ein Überschallfallschirm verwendet. Unter Berücksichtigung der atmosphärischen Eigenschaften des Saturn-Satelliten wurde außerdem eine merkwürdige technische Lösung für die europäische Huygens-Sonde verwendet: Zunächst wird bei einer Geschwindigkeit von 400 m / s (für Titan sind es etwa 2 m) ein Überschallfallschirm geöffnet. Nach 15 Minuten wird es zurückgesetzt und der Brems- / Landefallschirm öffnet sich. Tatsache ist, dass der Bereich des Überschallfallschirms schnell überflüssig wird und die Sonde vor Erreichen der Oberfläche einfrieren kann. Daher liefert der zweite Fallschirm eines kleineren Gebiets eine anfängliche Abstiegsgeschwindigkeit von 94 m / s, die aufgrund einer Zunahme der Dichte der Atmosphäre auf die Oberfläche auf 4,7 m / s abfällt.


Huygens Abstieg zum Titan

Zum 20-jährigen Jubiläum der Mission wurde ein Fallschirm für die Dreharbeiten zum Discovery-Kanal eingesetzt.


Photo Vorticity Systems

Ein aufmerksamer Leser wird auf diesem Foto das bereits bekannte DGB-zu-Band-D-Layout sehen. In der Tat waren die an den Marsapparaten entwickelten Technologien in einer völlig anderen Ecke des Sonnensystems nützlich.

Da es sich um europäische Geräte handelt, können wir uns an den „Schiaparelli“ erinnern, der im Endstadium abgestürzt ist, aber einen Überschallfallschirm auf dem DGB recht erfolgreich bremsen konnte.


ESA-Fotos

Aufblasbare fliegende Untertassen

Die Gesetze der Physik haben sich nicht geändert, und der DGB-Fallschirm kann jetzt verwendet werden, jedoch für relativ kleine Geräte. Dann beginnt die unerforschte Zone - in den 60er Jahren schlug der einzige Test mit einer Last von mehr als einer Tonne fehl. Ein bisschen Hebekapazität kann durch die Verwendung neuer Materialien für Überdachungen und Schlingen gewonnen werden, aber Curiosity hat die Sicherheitsgrenze erreicht, die die alte Technologie bieten könnte. Aber ich möchte auf dem Mars immer schwerere Apparate landen. Sie müssen sich etwas Neues einfallen lassen. Ein solches experimentelles Projekt war der Low-Density Supersonic Decelerator (LDSD). Hier versuchen sie, zwei Änderungen gleichzeitig zu implementieren. Zunächst wird der DGB-Fallschirm auf Round-Bungee umgestellt. Zweitens wird zur weiteren Verlangsamung der Bereich der Luftschale durch Aufblasen des ringförmigen "Kragens" vergrößert.


NASA-Bild

Das neue System muss 2-3-Tonnen-Sonden auf dem Mars landen. Aber in zwei Versuchen brach der Fallschirm. Der dritte wurde für 2016 erwartet, aber bisher wurde nichts über ihn gehört.





So kann der Fallschirm für den Rover 2020 immer noch Rekorde aufstellen, öffnet in 0,4 Sekunden und hält einer Spitzenlast von 37 Tonnen stand, aber um etwas Schwereres als den Rover 2020 zu landen, funktioniert es einfach nicht, ihn zu erhöhen.


Offenlegung des Fallschirms Rover 2020

Federball

Die Idee des öffnenden „Kragens“ von LDSD basiert auf einem grundlegend anderen Ansatz, wenn anstelle des üblichen Fallschirms ein aufblasbarer Federball verwendet wird. Und hier werden zum letzten Mal mehrere russische Tests mit unterschiedlichem Erfolg durchgeführt. Im Jahr 2000 gingen der Fregatten-Boosterblock und die Kapsel mit Instrumenten in die Umlaufbahn. Sie bremsten, um in die Atmosphäre zu gelangen, und öffneten die Federbälle, bevor sie in die dichten Schichten eintraten. Von der „Fregatte“ fanden sie nur Titantanks, aber die Kapsel überlebte trotz des Versagens des zweiten, breiteren „Kragens“ den Sturz. In den Jahren 2001 und 2002 konnten sie leider keine Nutzlast finden. Anfang 2005 meldete sich der Prüfstand, nachdem er die Bremsphase in der Plasmawolke durchlaufen hatte, aber nach 23 Sekunden war es still und konnte im Bereich des Sturzes nicht gefunden werden. Trotz des Mangels an vollständig erfolgreichen Versuchen benannte die NGO nach Lavochkina und SIC, benannt nach Babakin, setzen große Hoffnungen auf das Konzept. Auf der anderen Seite des Ozeans gibt es in der NASA ähnliche Projekte wie LOTFID und HIAD-2.


Beschleunigungsblock „Fregatte“ mit „Federball“, Abbildung des nach GN benannten SRC Babakina

Herausforderung 2020

Im Jahr 2020 wird nicht nur der NASA-Rover, sondern auch das russisch-europäische Exomars-Modul, zu dem der Rosalind Franklin-Rover und die Kosakenplattform gehören, zum Mars gehen. Ein interessantes Merkmal der Landeplattform, von der 80% NGOs sind. Lavochkina sind zwei Fallschirme. Zuerst öffnet sich der übliche Überschalltyp des DGB, und wenn die Geschwindigkeit Unterschall wird, öffnet sich ein zweiter kreisförmiger Fallschirm mit einem Durchmesser von 35 Metern, der größte in der Geschichte der Marsforschung.


ESA-Bild

Nach den neuesten Nachrichten sind bei einem kürzlich durchgeführten Test Lücken an beiden Fallschirmen aufgetreten. Sie reichten nicht aus, um die Bremskraft unzureichend zu machen, aber das Problem muss natürlich behoben werden. Zum Glück ist noch Zeit dafür - Exomars 2020 wird im Juni 2020 fliegen.

Fazit

Fallschirme bleiben vor allem aufgrund ihres geringen Gewichts wirksam. Und selbst wenn das Raumschiff von SpaceX, für das bei der Landung Flügel und Triebwerke eingesetzt werden sollen, erfolgreich auf dem Mars landet, werden unbemannte Sonden lange Zeit bewährte Technologien einsetzen - ein Überschallfallschirm plus Bremsen mit relativ niedriger Geschwindigkeit ist in der Masse vorteilhafter als das Bremsen ausschließlich mit Triebwerken mit Überschall.

Für das Portal N + 1 vorbereitetes Material, veröffentlicht in der Originalausgabe.