Ruang Parasut Supersonik

Kita terbiasa dengan fakta bahwa parasut adalah apa yang diungkapkan pada tahap akhir pendaratan. Tetapi ini terjadi dalam kondisi duniawi kita. Kepadatan atmosfer sudah cukup bagi kubah untuk memperlambat laju penurunan. Dan kemudian, orang-penerjun payung diajarkan untuk mengambil posisi yang tepat agar tidak mematahkan kaki mereka, dan teknik ini duduk dengan peredam kejut tiup atau mesin pendaratan lunak yang menyala pada detik-detik terakhir. Tetapi di tata surya pada benda langit, kondisi yang berbeda, dan terkadang parasut bertindak dalam peran yang tidak biasa dari tahap pendaratan perantara. Mereka terbuka dengan kecepatan supersonik yang besar dan dalam bentuk dan proporsi yang terbaik hanya mengingatkan kita pada kubah duniawi yang akrab. Dan untuk memperlambat suasana, desain yang sangat istimewa ditawarkan.


"Curiosity" dijatuhkan oleh parasut, foto dari Mars Reconnaissance Orbiter / NASA

Sedikit fisika

Penerjun payung melompat dari pesawat mengalami gravitasi nol hanya saat-saat pertama. Kekuatan hambatan udara tumbuh sebanding dengan kuadrat kecepatan, dan sangat cepat skydiver akan mencapai kecepatan jatuh yang terbatas, ketika gaya gravitasi dan gaya tarik aerodinamis seimbang. Resistansi tergantung pada bentuk tubuh, jadi untuk skydiver tipikal yang jatuh rata di troposfer, kecepatan jatuh yang membatasi adalah sekitar 50 m / s, dan pada tahap Falcon 9 pertama, sebelum putaran terakhir mesin dan pendaratan, sekitar 300 m / s. Kecepatan ini terkait dalam hal mereka bersifat subsonik. Bahkan tahap Falcon 9, yang jatuh secara vertikal dan rem paling tidak, secara independen melambat di bawah kecepatan suara bahkan sebelum mesin akhirnya dihidupkan. Dan untuk memecahkan rekor kecepatan dalam jatuh bebas, Felix Baumgartner harus naik balon stratosfer ke ketinggian hampir 39 km, di mana atmosfer jarang dijumpai dan kurang menunda musim gugur.


Pesawat parasut Orion mengalir di sekitar, sumber

Bentuk parasut yang kita gunakan dipilih secara eksperimental untuk menciptakan resistensi maksimum dengan area minimum. Dan jika kita melihat bagaimana udara mengalir di sekitar parasut biasa, subsonik, kita akan melihat gambaran yang cukup jelas - kanopi parasut bertindak sebagai penghambat pergerakan udara. Udara sebagian mengalir di sekitar kubah dan membentuk di belakangnya zona bayangan aerodinamis besar dengan vortisitas. Gerakan udara yang lebih cepat di tengah adalah hasil dari lubang yang dibuat khusus sehingga kubah tidak berayun.


Diperkirakan dan aliran aktual di sekitar parasut supersonik, gambar Vortisitas

Namun, pada kecepatan supersonik, karakter aliran di sekitar benda yang bergerak di udara berubah secara radikal. Gelombang kejut terbentuk di depannya (gelombang kejut). Tes pertama menunjukkan bahwa kubah biasa menjadi tidak stabil, perlu untuk meningkatkan permeabilitas kubah dan bereksperimen dengan bentuknya. Juga, operasi kubah dipengaruhi oleh gangguan dari depan muatan terbang, perlu untuk memilih panjang garis yang benar sehingga kubah tidak mulai runtuh.


Perilaku parasut tergantung pada kecepatan dan permeabilitas kain. Area di bawah ini - parasut bergoyang, garis putus-putus - area di mana parasut runtuh dan terisi lagi

Dalam kondisi terestrial, parasut mengurangi kecepatan dari puluhan (50 untuk penerjun payung, 90 untuk pesawat ruang angkasa Soyuz) ke unit meter per detik. Sebagai contoh, Soyuz SA di ketinggian 9-11 km memiliki kecepatan pembatas 240 m / s, memadamkannya hingga 90 m / s dengan parasut pengereman kecil 14 m2 dan membuka parasut utama. Pada meter terakhir pendaratan, Soyuz SA berkurang pada kecepatan 9 m / s, dan kubah putaran biasa D-1-5u menyediakan sekitar 5 m / s. Kedua kecepatan ini cukup tinggi untuk berbahaya jika permukaannya disentuh secara sembarangan, sehingga skydivers diajarkan untuk menjaga kaki mereka bersama, dan Soyuz SA menyertakan motor rem khusus untuk pendaratan lunak.


Nyala api dari DMP bekerja sangat indah. Mendarat “Soyuz MS-11”, foto NASA / Bill Ingals

Apakah mungkin dilakukan tanpa mesin pendaratan lunak? Jika Anda mencoba meningkatkan area, dan akibatnya massa kubah, untuk mengurangi kecepatan penurunan, maka untuk kecepatan yang aman itu akan menjadi besar secara tidak rasional. Masih ada opsi untuk meletakkan kapal di atas air (Merkurius, Gemini, Apollo, Orion), jika kapal memasuki air secara miring, maka itu berfungsi seperti peredam kejut. Anda juga dapat mengembang kantung udara (Boeing Starliner).

Dan di permukaan Mars, tekanannya 160 kali lebih kecil dari Bumi, jadi untuk tahap akhir pendaratan parasut itu jelas tidak cukup - jika Anda memindahkan penerjun payung Bumi dalam peralatan standar ke Mars, maka setelah membuka kubah, itu akan menabrak, mengenai permukaan dengan kecepatan ~ 60 m / s ( 200 km / jam). Kecepatan maksimum jatuh penerjun payung sebelum pembukaan kubah untuk Mars adalah sekitar enam kali lebih besar dari Bumi - ~ 280 m / s (dekat permukaan). Ini lebih tinggi dari kecepatan suara di Mars - ~ 244 m / s.

Akibatnya, pendaratan di Mars berbeda dengan kembali ke Bumi. Pada tahap pertama, kendaraan keturunan mengurangi kecepatan dari beberapa kilometer per detik menjadi sekitar 400 m / s, berada di dalam amplop aero dengan pelindung panas. Kemudian parasut supersonik terbuka, pengereman kendaraan turun menjadi sekitar 60-100 m / s. Dan, akhirnya, tahap pendaratan akhir ketiga dibedakan oleh berbagai solusi teknis terluas - perangkat turun pada engine mereka (Viking, MARS InSight, Skiaparelli), direm oleh engine yang dapat disetel ulang dan mendarat di peredam kejut tiup (Mars Pathfinder, Spirit / Opportunity rovers) ), jatuh ke permukaan di bawah platform khusus pada mesin roket (Keingintahuan), dan kendaraan ringan melakukannya tanpa mesin rem (Beagle-2) atau, mengeremnya, jatuh pada shock absorber ("Mars-3").

Penggunaan kembali secara kreatif

Baik Uni Soviet dan AS, yang akan mengirim perangkat untuk pendaratan lunak di Mars, dihadapkan dengan tugas menguji sistemnya. Dan jika perilaku perlindungan termal sudah diketahui dari pengujian hulu ledak rudal antarbenua dan kendaraan yang kembali dari orbit Bumi, dan tahap pendaratan akhir dapat diperiksa dengan menjatuhkan perangkat dari helikopter, maka kondisi khusus harus dipilih untuk memeriksa pengoperasian parasut supersonik. Untungnya, ini bisa dilakukan di Bumi. Pada ketinggian 30-40 km, kepadatan atmosfer tidak berbeda jauh dari yang Mars, dan menggunakan mesin roket, test stand dapat disebar ke kecepatan supersonik. Dan di kedua sisi samudera, para insinyur datang dengan solusi serupa. Di Uni Soviet, parasut supersonik untuk Mars diuji dengan mengangkatnya ke stratosfer di roket meteorologi M-100B. Tes ternyata bermanfaat, ingatan menceritakan tentang kecenderungan versi pertama dari parasut runtuh pada kecepatan 3,5M, yang mereka perhatikan dan mampu koreksi.

Di AS, bangku tes "Viking" agak lebih rumit - perangkat dinaikkan ke ketinggian 36 km pada balon stratosfer, dan kemudian tersebar oleh mesin berbahan bakar padat. Bahkan kerangka uji Agustus 1972 telah bertahan. Mereka beruntung - film-film dilupakan dalam kabinet yang dinonaktifkan dan dijual dan hampir hilang sama sekali, tetapi kasing dan penggila ruang tidak membiarkannya menghilang.



Sebanyak 4 tes dilakukan , semuanya berhasil, tetapi bukan karena mereka langsung beruntung menemukan solusi teknis yang cocok. Faktanya adalah bahwa program Viking menggunakan pencapaian tahun 60-an untuk membuat parasut untuk pesawat ruang angkasa - Program Parasut Entri Planetary (PEPP), Deselerator Entri Planetary Supersonik (SPED) dan Eksperimen Parasut Altitude Supersonik (SHAPE), dan uji terbang hanya puncak dari program uji, termasuk tes terowongan angin, tes lemparan, dan tes pelempar piro.

Sebanyak 16 penerbangan uji dilakukan di PEPP, SPED, dan SHAPE, yang hanya berhasil 11. Berdasarkan percobaan sebelumnya, tiga jenis kubah yang paling menjanjikan diperiksa - ringail, cruciform, dan disk-gap-strip type (disk gap-band, DGB).


Tes Lintas Kubah

Tipe terakhir, DGB, terbukti menjadi yang paling cocok dalam hal daya pengereman dan stabilitas untuk penyebaran supersonik. Dialah yang mulai memakai perangkat NASA dalam beberapa dekade berikutnya.


Pengujian DGB Dome

Bukan Mars One

Pembaca yang penuh perhatian akan bertanya: "Dan mengapa pembicaraan hanya tentang Mars? Bagaimana dengan planet lain? " Mars adalah arena paling sering untuk parasut supersonik, tetapi bukan satu-satunya. Dan jika Anda berpikir tentang Venus, Anda salah - kepadatan atmosfernya sedemikian rupa sehingga kendaraan keturunan melambat ke kecepatan subsonik bahkan sebelum parasut terbuka, dan kondisi untuk turun pada parasut sebanding dengan yang terestrial. Kecepatan suara di Venus adalah ~ 410 m / s, dan perangkat pertama, menurun di atmosfernya, "Venus-4", membuka parasut dengan kecepatan sekitar 210 m / s. Parasut supersonik digunakan saat turun di Titan. Selain itu, dengan mempertimbangkan fitur atmosfer dari satelit Saturnus, solusi teknis yang aneh digunakan pada probe Eropa Huygens: pada awalnya, pada kecepatan 400 m / s (untuk Titan sekitar 2M), sebuah parasut supersonik terbuka. Dan setelah 15 menit itu diatur ulang, dan parasut pengereman / pendaratan terbuka. Faktanya adalah bahwa area parasut supersonik dengan cepat menjadi redundan, dan probe bisa membeku sebelum mencapai permukaan. Oleh karena itu, parasut kedua dari area yang lebih kecil memberikan kecepatan awal penurunan 94 m / s, yang menurun ke permukaan menjadi 4,7 m / s karena peningkatan kepadatan atmosfer.


Huygens Turun ke Titan

Pada peringatan 20 tahun misi, sebuah parasut dikerahkan untuk menembak saluran Discovery.


Sistem Vortisitas Foto

Pembaca yang penuh perhatian akan melihat dalam foto ini tata letak DGB-ke-Band-D yang sudah dikenal. Memang, teknologi yang dikembangkan pada peralatan Mars berguna di sudut yang sama sekali berbeda dari tata surya.

Karena kita berbicara tentang perangkat Eropa, kita dapat mengingat "Schiaparelli", yang mengalami crash pada tahap akhir, tetapi mampu cukup berhasil mengerem parasut supersonik pada DGB.


Foto ESA

Piring terbang tiup

Hukum fisika tidak berubah, dan parasut DGB dapat digunakan sekarang, tetapi untuk perangkat yang relatif kecil. Kemudian zona yang belum dijelajahi dimulai - di tahun 60an satu-satunya pengujian dengan beban lebih dari satu ton gagal. Sedikit kapasitas angkat dapat dimenangkan dengan menggunakan kanopi baru dan material selempang, tetapi Curiosity mendekati batas keamanan yang dapat diberikan teknologi lama. Tapi saya ingin mendarat di Mars semakin banyak aparaturnya. Anda harus membuat sesuatu yang baru. Proyek eksperimental semacam itu adalah Low-Density Supersonic Decelerator (LDSD). Di sini mereka mencoba menerapkan dua perubahan sekaligus. Pertama-tama, parasut DGB diubah menjadi bungee bundar. Kedua, untuk lebih memperlambat, area cangkang udara meningkat dengan menggembungkan "kerah" cincin.


Gambar NASA

Sistem baru harus menyediakan pendaratan di Mars 2-3 ton probe. Namun dalam dua percobaan parasut pecah. Yang ketiga diharapkan pada tahun 2016, tetapi sejauh ini belum ada yang pernah mendengar tentang dia.





Jadi parasut untuk rover 2020 masih dapat mencetak rekor, dibuka dalam 0,4 detik dan menahan beban puncak 37 ton, tetapi untuk mendaratkan sesuatu yang lebih berat daripada rover 2020, hanya meningkatkannya tidak akan berhasil.


Pengungkapan parasut Rover 2020

Shuttlecock

Ide pembukaan "kerah" LDSD didasarkan pada pendekatan yang berbeda secara fundamental, ketika bukan parasut biasa, kok kok digunakan. Dan di sini yang terakhir kali akan ada beberapa tes Rusia dari berbagai tingkat keberhasilan. Pada tahun 2000, blok booster Frigate dan kapsul dengan instrumen masuk ke orbit. Mereka menginjak rem untuk memasuki atmosfer, dan membuka kok sebelum memasuki lapisan padatnya. Dari "Frigate" mereka hanya menemukan tank titanium, tetapi kapsul, meskipun kegagalan "kerah" kedua, lebih luas, selamat dari kejatuhan. Pada tahun 2001 dan 2002, sayangnya, mereka tidak dapat menemukan muatan. Pada awal 2005, bangku tes menghubungi, setelah melewati tahap pengereman di awan plasma, tetapi setelah 23 detik itu diam dan tidak dapat ditemukan di daerah musim gugur. Meskipun kurangnya uji coba yang sepenuhnya berhasil, LSM tersebut kemudian mengatasinya Lavochkina dan SIC dinamai Babakin memiliki harapan tinggi untuk konsep ini. Di sisi lain samudera, di NASA, ada proyek serupa LOTFID dan HIAD-2.


Blok akselerasi "Frigate" dengan "shuttlecock", ilustrasi SRC yang dinamai GN Babakina

Tantangan 2020

Pada tahun 2020, tidak hanya bajak NASA, tetapi juga modul Rusia-Eropa Exomars, yang akan mencakup bajak Rosalind Franklin dan platform Cossack, akan pergi ke Mars. Fitur menarik dari platform pendaratan, 80% darinya menjadikan LSM sebagai mereka. Lavochkina, adalah dua parasut. Pertama, tipe DGB supersonik yang biasa akan terbuka, kemudian ketika kecepatannya menjadi subsonik, yang kedua, sayap bundar, parasut dengan diameter 35 meter akan terbuka, terbesar dalam sejarah studi Mars.


Gambar ESA

Menurut berita terbaru , celah muncul di kedua parasut selama tes baru-baru ini. Mereka tidak cukup untuk membuat upaya pengereman tidak mencukupi, tetapi masalahnya, tentu saja, perlu diperbaiki. Untungnya, masih ada waktu untuk ini - Exomars 2020 akan terbang pada Juni 2020.

Kesimpulan

Parasut tetap efektif terutama karena berat badannya rendah. Dan bahkan jika SpaceX Starship, yang diusulkan untuk menggunakan sayap dan mesin untuk pendaratan, memulai penyelidikan tak berawak untuk waktu yang lama, mereka akan menggunakan teknologi yang telah terbukti - parasut supersonik plus pengereman dari kecepatan relatif rendah lebih menguntungkan dalam massa daripada pengereman secara eksklusif pada mesin dengan supersonik.

Materi yang disiapkan untuk portal N +1 , diterbitkan dalam edisi asli.