Parachutes supersoniques spatiaux

Nous sommes habitués au fait qu'un parachute est ce qui se révèle au stade final de l'atterrissage. Mais cela se produit dans nos conditions terrestres. La densité de l'atmosphère est suffisante pour que le dôme ralentisse le taux de déclin. Et puis, les gens parachutistes apprennent à prendre la bonne position pour ne pas se casser les jambes, et la technique s'assoit avec des amortisseurs gonflables ou des moteurs à atterrissage en douceur qui s'allument dans les dernières secondes. Mais dans le système solaire sur les corps célestes, des conditions différentes et parfois des parachutes agissent dans le rôle inhabituel de l'étape intermédiaire d'atterrissage. Ils s'ouvrent à d'énormes vitesses supersoniques et dans leur forme et leurs proportions, au mieux, nous rappellent à distance des dômes terrestres familiers. Et pour ralentir dans l'atmosphère, des designs très spéciaux sont proposés.


"Curiosity" tombe en parachute, photo de Mars Reconnaissance Orbiter / NASA

Un peu de physique

Le parachutiste sautant hors de l'avion ne ressent de la gravité nulle que les premiers moments. La force de résistance à l'air croît proportionnellement au carré de la vitesse, et très rapidement le parachutiste atteindra la vitesse limite de chute, lorsque la force de gravité et la traînée aérodynamique sont équilibrées. La résistance dépend de la forme du corps, donc pour un parachutiste typique tombant à plat dans la troposphère, la vitesse limite de chute est d'environ 50 m / s, et lors de la première étape du Falcon 9, avant le dernier allumage du moteur et l'atterrissage, elle est d'environ 300 m / s. Ces vitesses sont liées en ce qu'elles sont subsoniques. Même la scène du Falcon 9, qui tombe verticalement et freine le moins, ralentit indépendamment en dessous de la vitesse du son avant même que le moteur ne soit enfin allumé. Et pour battre le record de vitesse en chute libre, Félix Baumgartner a dû grimper sur un ballon stratosphérique à une altitude de près de 39 km, où l'atmosphère se raréfie et retarde moins la chute.


Le parachute du vaisseau spatial Orion circule autour, source

La forme du parachute auquel nous sommes habitués a été choisie expérimentalement pour créer une résistance maximale avec une surface minimale. Et si nous regardons comment l'air circule autour d'un parachute ordinaire, subsonique, nous verrons une image assez évidente - la verrière du parachute agit comme un obstacle au mouvement de l'air. L'air circule partiellement autour du dôme et forme derrière lui une zone de grande ombre aérodynamique à tourbillons. Un mouvement d'air plus rapide au centre est le résultat d'un trou spécialement conçu pour que le dôme ne oscille pas.


Écoulement estimé et réel autour d'un parachute supersonique, image de tourbillon

À une vitesse supersonique, cependant, le caractère de l'écoulement autour d'un corps se déplaçant dans l'air change radicalement. Une onde de choc se forme devant elle (onde de choc). Les premiers tests ont montré que les dômes ordinaires deviennent instables, il a fallu augmenter la perméabilité du dôme et expérimenter sa forme. De plus, le fonctionnement du dôme est affecté par la perturbation de l'avant de la charge utile volante, il est nécessaire de sélectionner la bonne longueur des lignes afin que le dôme ne commence pas à s'effondrer.


Le comportement des parachutes en fonction de la vitesse et de la perméabilité du tissu. La zone ci-dessous - le parachute se balance, la ligne pointillée - la zone où le parachute s'effondre et se remplit à nouveau

Dans des conditions terrestres, les parachutes réduisent la vitesse de dizaines (50 pour un parachutiste, 90 pour le vaisseau spatial Soyouz) à des unités de mètres par seconde. Par exemple, le Soyuz SA à une altitude de 9-11 km a une vitesse de descente limite de 240 m / s, l'éteint à 90 m / s avec un petit parachute de freinage de 14 m2 et ouvre le parachute principal. Sur les derniers mètres d'atterrissage, le Soyouz SA diminue à une vitesse de 9 m / s, et le dôme rond habituel D-1-5u fournit environ 5 m / s. Ces deux vitesses sont suffisamment élevées pour être dangereuses si la surface est négligemment touchée, de sorte que les parachutistes apprennent à garder leurs pieds ensemble, et Soyuz SA comprend des moteurs de frein spéciaux pour un atterrissage en douceur.


La flamme du DMP fonctionne très bien. Atterrissage du «Soyouz MS-11», photo NASA / Bill Ingals

Est-il possible de se passer d'un moteur à atterrissage en douceur? Si vous essayez d'augmenter la surface, et par conséquent la masse du dôme, pour réduire la vitesse de déclin, alors pour une vitesse sûre, elle deviendra irrationnellement grande. Il y a toujours une option pour mettre le navire sur l'eau (Mercure, Gémeaux, Apollo, Orion), si le navire pénètre dans l'eau à un angle, alors cela fonctionne comme un amortisseur. Vous pouvez également gonfler les airbags (Boeing Starliner).

Et à la surface de Mars, la pression est 160 fois inférieure à celle de la Terre, donc pour la dernière étape de l'atterrissage des parachutes, il n'y a certainement pas assez - si vous déplacez un parachutiste basé sur la Terre dans un équipement standard vers Mars, puis après avoir ouvert le dôme, il se briserait, frappant la surface à une vitesse d'environ 60 m / s ( 200 km / h). La vitesse maximale de la chute du parachutiste avant l'ouverture du dôme pour Mars est environ six fois supérieure à celle de la Terre - ~ 280 m / s (près de la surface). Elle est supérieure à la vitesse du son sur Mars - ~ 244 m / s.

En conséquence, l'atterrissage sur Mars est différent du retour sur Terre. Au premier stade, le véhicule de descente réduit la vitesse de plusieurs kilomètres par seconde à environ 400 m / s, étant dans une enveloppe aérodynamique avec un bouclier thermique. Puis un parachute supersonique s'ouvre, freinant le véhicule de descente à environ 60-100 m / s. Et enfin, la troisième, dernière étape d'atterrissage se distingue par la plus grande variété de solutions techniques - les appareils descendent sur leurs moteurs (Vikings, MARS InSight, Skiaparelli), sont freinés par des moteurs réinitialisables et atterrissent dans des amortisseurs gonflables (Mars Pathfinder, Spirit / Opportunity rovers) ), tombent à la surface sous une plate-forme spéciale sur des moteurs-fusées (Curiosity), et les véhicules légers se passent de moteurs-freins (Beagle-2) ou, en les freinant, tombent sur l'amortisseur («Mars-3»).

Réutilisation créative

L'URSS et les États-Unis, sur le point d'envoyer des appareils pour un atterrissage en douceur sur Mars, ont été confrontés à la tâche de tester ses systèmes. Et si le comportement de la protection thermique était déjà connu à partir d'essais d'ogives de missiles intercontinentaux et de véhicules revenant de l'orbite terrestre, et que la dernière étape de l'atterrissage pouvait être vérifiée en laissant tomber les appareils d'un hélicoptère, alors des conditions spéciales devaient être sélectionnées pour vérifier le fonctionnement du parachute supersonique. Heureusement, cela pourrait être fait sur Terre. À une altitude de 30 à 40 km, la densité de l'atmosphère ne diffère pas beaucoup de celle martienne, et en utilisant des moteurs-fusées, les bancs d'essai pourraient être dispersés à des vitesses supersoniques. Et des deux côtés de l'océan, les ingénieurs ont trouvé des solutions similaires. En URSS, des parachutes supersoniques pour Mars ont été testés en les soulevant dans la stratosphère sur des fusées météorologiques M-100B. Les tests se sont avérés utiles, les souvenirs racontent la tendance de la première version du parachute à s'effondrer à une vitesse de 3,5M, qu'ils ont remarquée et ont pu corriger.

Aux États-Unis, le banc d'essai «Viking» était un peu plus compliqué - l'appareil a été élevé à une hauteur de 36 km sur un ballon stratosphérique, puis dispersé par des moteurs à combustible solide. Même les cadres d'essai d'août 1972 ont survécu. Ils ont eu de la chance - les films ont été oubliés dans l'armoire déclassée et vendue et presque perdus du tout, mais l'affaire et le passionné d'espace ne leur ont pas permis de disparaître.



Au total, 4 tests ont été réalisés , tous réussis, mais pas parce qu'ils ont immédiatement eu la chance de trouver une solution technique adaptée. Le fait est que le programme Viking a utilisé les réalisations des années 60 pour créer des parachutes pour les vaisseaux spatiaux - le programme Planetary Entry Parachute (PEPP), Supersonic Planetary Entry Decelerator (SPED) et Supersonic High Altitude Parachute Experiment (SHAPE) et des vols d'essai. n'étaient que l'apogée du programme de tests, y compris les tests en soufflerie, les tests de lancer et les tests de lanceur pyro.

Au total, 16 vols d'essai ont été effectués au PEPP, au SPED et au SHAPE, dont seulement 11 ont été couronnés de succès. Sur la base d'expériences précédentes, les trois types de dômes les plus prometteurs ont été testés - le ringail, le cruciforme et le type de bande à espace de disque (disque- bande interdite, DGB).


Tests Cross Dome

Ce dernier type, DGB, s'est avéré être le plus approprié en termes de puissance de freinage et de stabilité pour un déploiement supersonique. C'est lui qui a commencé à être mis sur les appareils de la NASA dans les décennies suivantes.


Test du dôme DGB

Pas Mars One

Le lecteur attentif demandera: «Et pourquoi la conversation ne concerne-t-elle que Mars? Et les autres planètes? " Mars est l'arène la plus fréquente pour un parachute supersonique, mais pas la seule. Et si vous avez pensé à Vénus, vous vous êtes trompé - la densité de son atmosphère est telle que les véhicules de descente sont ralentis à des vitesses subsoniques avant même l'ouverture du parachute, et les conditions de descente en parachute sont comparables à celles terrestres. La vitesse du son sur Vénus était d'environ 410 m / s, et le premier appareil, diminuant dans son atmosphère, «Vénus-4», a ouvert un parachute à une vitesse d'environ 210 m / s. Un parachute supersonique a été utilisé lors de la descente sur le Titan. De plus, compte tenu des caractéristiques atmosphériques du satellite Saturne, une curieuse solution technique a été utilisée sur la sonde européenne Huygens: dans un premier temps, à une vitesse de 400 m / s (pour Titan elle est d'environ 2M), un parachute supersonique s'ouvre. Et après 15 minutes, il est réinitialisé et le parachute de freinage / atterrissage s'ouvre. Le fait est que la zone du parachute supersonique devient rapidement redondante et que la sonde peut geler avant d'atteindre la surface. Par conséquent, le deuxième parachute d'une zone plus petite fournit une vitesse initiale de descente de 94 m / s, qui diminue à la surface à 4,7 m / s en raison d'une augmentation de la densité de l'atmosphère.


Descente de Huygens vers Titan

À l'occasion de l'anniversaire, 20 ans de la mission, un parachute a été déployé pour le tournage de la chaîne Discovery.


Systèmes de photo-tourbillon

Un lecteur attentif verra sur cette photo la disposition DGB-to-Band-D déjà connue. En effet, les technologies développées sur les appareils martiens étaient utiles dans un coin complètement différent du système solaire.

Puisque nous parlons d'appareils européens, nous pouvons rappeler le «Schiaparelli», qui s'est écrasé au stade final, mais a réussi à freiner avec succès un parachute supersonique sur le DGB.


Photos de l'ESA

Soucoupes volantes gonflables

Les lois de la physique n'ont pas changé et le parachute DGB peut être utilisé maintenant, mais pour des appareils relativement petits. Puis la zone inexplorée commence - dans les années 60, le seul test avec une charge de plus d'une tonne a échoué. Un peu de capacité de levage peut être gagnée en utilisant de nouveaux matériaux de couverture et d'élingue, mais Curiosity est proche de la limite de sécurité que l'ancienne technologie pouvait offrir. Mais je veux atterrir sur Mars des appareils de plus en plus lourds. Vous devez trouver quelque chose de nouveau. Un tel projet expérimental était le décélérateur supersonique basse densité (LDSD). Ici, ils essaient d'implémenter deux changements à la fois. Tout d'abord, le parachute DGB est changé en saut à l'élastique. Deuxièmement, pour ralentir davantage, la surface de la coque d'air est augmentée en gonflant le «collier» annulaire.


Image de la NASA

Le nouveau système devra fournir un atterrissage sur des sondes Mars 2-3 tonnes. Mais dans deux essais, le parachute s'est cassé. Le troisième était attendu en 2016, mais jusqu'à présent, on n'a pas entendu parler de lui.





Ainsi, le parachute pour le rover 2020 peut encore établir des records, s'ouvrant en 0,4 seconde et résistant à une charge de pointe de 37 tonnes, mais pour atterrir quelque chose de plus lourd que le rover 2020, le simple fait de l'augmenter ne fonctionnera pas.


Divulgation du parachute Rover 2020

Volant

L'idée de l'ouverture du «collier» du LDSD est basée sur une approche fondamentalement différente, quand au lieu du parachute habituel, un volant gonflable est utilisé. Et ici, le dernier dans le temps sera plusieurs tests russes de divers degrés de succès. En 2000, le bloc élévateur Frigate et la capsule avec instruments sont entrés en orbite. Ils ont freiné pour entrer dans l'atmosphère, et ont ouvert les volants avant d'entrer dans ses couches denses. De la «frégate», ils n'ont trouvé que des réservoirs en titane, mais la capsule, malgré l'échec du deuxième «collier» plus large, a survécu à la chute. En 2001 et 2002, malheureusement, ils n'ont pas pu trouver de charge utile. Début 2005, le banc d'essai est entré en contact après avoir passé le stade de freinage dans le nuage de plasma, mais après 23 secondes, il était silencieux et introuvable dans la zone de la chute. Malgré le manque d'essais pleinement réussis, l'ONG nommée d'après Lavochkina et SIC du nom de Babakin ont de grands espoirs pour le concept. De l'autre côté de l'océan, en NASA, il existe des projets similaires LOTFID et HIAD-2.


Bloc d'accélération «Frégate» avec «volant», illustration du Centre de recherche du nom de G.N. Babakina

Challenge 2020

En 2020, non seulement le rover de la NASA, mais aussi le module russo-européen Exomars, qui comprendra le rover Rosalind Franklin et la plate-forme Cosaque, iront sur Mars. Une caractéristique intéressante de la plate-forme d'atterrissage, dont 80% en fait des ONG. Lavochkina, sont deux parachutes. D'abord, le type supersonique habituel de DGB s'ouvrira, puis, lorsque la vitesse deviendra subsonique, un deuxième parachute circulaire de 35 mètres de diamètre s'ouvrira, le plus grand de l'histoire de l'étude de Mars.


Image ESA

Selon les dernières nouvelles , des lacunes sont apparues sur les deux parachutes lors d'un récent test. Ils n'étaient pas suffisants pour rendre l'effort de freinage insuffisant, mais le problème, bien sûr, doit être résolu. Heureusement, il est encore temps pour cela - Exomars 2020 volera en juin 2020.

Conclusion

Les parachutes restent efficaces principalement en raison de leur faible poids. Et même si le vaisseau spatial SpaceX, pour lequel il est proposé d'utiliser des ailes et des moteurs lors de l'atterrissage, commence à atterrir avec succès sur Mars, les sondes sans pilote utiliseront des technologies éprouvées pendant longtemps - un parachute supersonique plus un freinage à une vitesse relativement basse est plus avantageux en masse que le freinage exclusivement sur des moteurs avec supersonique.

Matériel préparé pour le portail N + 1 , publié dans l'édition originale.