Pára-quedas supersônicos do espaço

Estamos acostumados ao fato de que um paraquedas é o que é revelado na fase final do pouso. Mas isso acontece em nossas condições terrenas. A densidade da atmosfera é suficiente para a cúpula diminuir a taxa de declínio. E então, os pára-quedistas são ensinados a tomar a posição correta para não quebrar as pernas, e a técnica se senta com amortecedores infláveis ​​ou motores de pouso suave que se ligam nos últimos segundos. Mas no sistema solar dos corpos celestes, condições diferentes e, às vezes, pára-quedas atuam no papel incomum do estágio intermediário de pouso. Eles se abrem a velocidades imensas e supersônicas, e na melhor das formas e proporções remotamente lembram remotamente cúpulas familiares e terrenas. E para desacelerar a atmosfera, são oferecidos designs muito especiais.


"Curiosidade" está caindo de pára-quedas, foto do Mars Reconnaissance Orbiter / NASA

Um pouco de física

O paraquedista que salta do avião experimenta gravidade zero apenas nos primeiros momentos. A força da resistência do ar cresce proporcionalmente ao quadrado da velocidade e, muito rapidamente, o paraquedista atingirá a velocidade limite da queda, quando a força da gravidade e o arrasto aerodinâmico são equilibrados. A resistência depende da forma do corpo, portanto, para um pára-quedista típico caindo achatado na troposfera, a velocidade limite da queda é de cerca de 50 m / s, e no primeiro estágio do Falcon 9, antes da última partida do motor e do pouso, é de cerca de 300 m / s. Essas velocidades estão relacionadas por serem subsônicas. Até o estágio Falcon 9, que cai verticalmente e freia menos, desacelera independentemente abaixo da velocidade do som antes mesmo do arranque final do motor. E para quebrar o recorde de velocidade em queda livre, Felix Baumgartner teve que subir em um balão estratosférico a uma altitude de quase 39 km, onde a atmosfera é rarefeita e atrasa menos a queda.


Nave espacial Orion pára-quedas flui ao redor, fonte

A forma do paraquedas a que estamos acostumados foi escolhida experimentalmente para criar resistência máxima com uma área mínima. E se observarmos como o ar flui em torno de um pára-quedas comum, subsônico, veremos uma imagem bastante óbvia - o velame do pára-quedas atua como um obstáculo ao movimento do ar. O ar flui parcialmente ao redor da cúpula e forma atrás dela uma zona de grande sombra aerodinâmica com vórtices. Um movimento mais rápido do ar no centro é o resultado de um furo feito especialmente para que o domo não gire.


Fluxo estimado e real em torno de um pára-quedas supersônico, imagem de Vorticidade

Na velocidade supersônica, no entanto, o caráter do fluxo ao redor de um corpo que se move no ar muda radicalmente. Uma onda de choque é formada à sua frente (onda de choque). Os primeiros testes mostraram que as cúpulas comuns se tornam instáveis, era necessário aumentar a permeabilidade da cúpula e experimentar sua forma. Além disso, a operação da cúpula é afetada pela perturbação da frente da carga útil voadora, é necessário selecionar o comprimento correto das linhas para que a cúpula não comece a entrar em colapso.


O comportamento dos pára-quedas, dependendo da velocidade e permeabilidade do tecido. A área abaixo - o pára-quedas balança, a linha tracejada - a área onde o pára-quedas cai e é preenchido novamente

Sob condições terrestres, os paraquedas reduzem a velocidade de dezenas (50 para um paraquedista, 90 para a espaçonave Soyuz) para unidades de metros por segundo. Por exemplo, a Soyuz SA, a uma altitude de 9 a 11 km, possui uma velocidade de descida limitada de 240 m / s, extingue-a para 90 m / s com um paraquedas de frenagem pequeno com uma área de 14 m2 e abre o paraquedas principal. Nos últimos metros de pouso, a Soyuz SA diminui a uma velocidade de 9 m / s, e a cúpula redonda habitual D-1-5u fornece cerca de 5 m / s. Ambas as velocidades são altas o suficiente para serem perigosas se a superfície for tocada descuidadamente, de modo que os para-quedistas são ensinados a manter os pés juntos, e a Soyuz SA inclui motores de freio especiais para pouso suave.


A chama do DMP funciona muito bem. Aterragem “Soyuz MS-11”, foto da NASA / Bill Ingals

É possível ficar sem um mecanismo de pouso suave? Se você tentar aumentar a área e, consequentemente, a massa da cúpula, reduzir a velocidade do declínio, a velocidade segura se tornará irracionalmente grande. Ainda existe a opção de colocar o navio na água (Mercúrio, Gêmeos, Apolo, Orion); se o navio entra na água em ângulo, ele funciona como um amortecedor. Você também pode encher os airbags (Boeing Starliner).

E na superfície de Marte, a pressão é 160 vezes menor que a da Terra, portanto, para o estágio final de pára-quedas de aterrissagem, definitivamente não é suficiente - se você mover um paraquedista terrestre em equipamento padrão para Marte, depois de abrir a cúpula, ele quebrará, atingindo a superfície a uma velocidade de ~ 60 m / s ( 200 km / h). A velocidade máxima da queda do paraquedista antes da abertura da cúpula para Marte é cerca de seis vezes maior que a da Terra - ~ 280 m / s (perto da superfície). É maior que a velocidade do som em Marte - ~ 244 m / s.

Como resultado, pousar em Marte é diferente de retornar à Terra. Na primeira etapa, o veículo de descida reduz a velocidade de vários quilômetros por segundo para cerca de 400 m / s, estando em um envelope aerodinâmico com blindagem térmica. Em seguida, um pára-quedas supersônico é aberto, travando o veículo descendente a cerca de 60-100 m / s. E, finalmente, o terceiro estágio final de pouso se distingue pela mais ampla variedade de soluções técnicas - os dispositivos descem em seus motores (Vikings, MARS InSight, Skiaparelli), são travados por motores reinicializáveis ​​e pousam em amortecedores infláveis ​​(Mars Pathfinder, Spirit / Opportunity rovers) ), caiam na superfície sob uma plataforma especial em motores de foguete (Curiosity) e veículos leves ficam sem motores de freio (Beagle-2) ou, travando-os, caem no amortecedor ("Mars-3").

Reutilização de criativos

Tanto a URSS quanto os EUA, prestes a enviar dispositivos para pouso suave em Marte, enfrentaram a tarefa de testar seus sistemas. E se o comportamento da proteção térmica já era conhecido nos testes de ogivas de mísseis intercontinentais e veículos retornando da órbita da Terra, e o estágio final de aterrissagem pudesse ser verificado com a queda dos dispositivos de um helicóptero, condições especiais teriam que ser selecionadas para verificar a operação do pára-quedas supersônico. Felizmente, isso poderia ser feito na Terra. A uma altitude de 30 a 40 km, a densidade da atmosfera não difere muito da marciana e, usando motores de foguete, os suportes de teste podem ser dispersos a velocidades supersônicas. E em ambos os lados do oceano, os engenheiros apresentaram soluções semelhantes. Na URSS, os pára-quedas supersônicos de Marte foram testados levantando-os na estratosfera nos foguetes meteorológicos M-100B. Os testes revelaram-se úteis, lembram as tendências da primeira versão do pára-quedas a desmoronar a uma velocidade de 3,5M, que eles perceberam e foram capazes de corrigir.

Nos EUA, a bancada de testes “Viking” era um pouco mais complicada - o dispositivo foi elevado a uma altura de 36 km em um balão estratosférico e depois dispersado por motores a combustível sólido. Até os quadros de teste de agosto de 1972 sobreviveram. Eles tiveram sorte - os filmes foram esquecidos no gabinete desativado e vendido e quase perderam, mas o caso e o entusiasta do espaço não permitiram que eles desaparecessem.



Foram realizados quatro testes, todos bem-sucedidos, mas não porque tiveram a sorte imediata de encontrar uma solução técnica adequada. O fato é que o programa Viking usou as conquistas dos anos 60 para criar pára-quedas para naves espaciais - o Programa de Pára-Quedas de Entrada Planetária (PEPP), o Desacelerador de Entrada Planetária Supersônica (SPED) e o Experimento de Pára-Quedas Supersônico de Alta Altitude (SHAPE) e voos de teste eram apenas o auge do programa de testes, incluindo testes de túnel de vento, testes de projeção e testes de lançadores de piros.

Um total de 16 vôos de teste foram realizados no PEPP, SPED e SHAPE, dos quais apenas 11. foram bem-sucedidos.Com base em experimentos anteriores, os três tipos de cúpulas mais promissores foram testados - o anel de vedação, o cruciforme e o tipo de faixa de espaço em disco DGB).


Testes Cross Dome

O último tipo, DGB, provou ser o mais adequado em termos de potência e estabilidade de frenagem para implantação supersônica. Foi ele quem começou a ser colocado nos dispositivos da NASA nas décadas seguintes.


Teste de domo DGB

Not Mars One

O leitor atento perguntará: “E por que a conversa é apenas sobre Marte? E os outros planetas? Marte é a arena mais frequente para um pára-quedas supersônico, mas não o único. E se você pensou em Vênus, estava enganado - a densidade de sua atmosfera é tal que os veículos de descida são reduzidos a velocidades subsônicas mesmo antes da abertura do pára-quedas, e as condições para a descida de um para-quedas são comparáveis ​​às terrestres. A velocidade do som em Vênus era de aproximadamente 410 m / s, e o primeiro dispositivo, com uma atmosfera decrescente, "Venus-4", abriu um pára-quedas a uma velocidade de cerca de 210 m / s. Um pára-quedas supersônico foi usado ao descer no Titan. Além disso, levando em conta as características atmosféricas do satélite Saturno, uma curiosa solução técnica foi usada na sonda européia de Huygens: no início, a uma velocidade de 400 m / s (para Titan é cerca de 2M), um paraquedas supersônico é aberto. Após 15 minutos, ele é redefinido e o pára-quedas de frenagem / pouso é aberto. O fato é que a área do paraquedas supersônico se torna rapidamente redundante e a sonda pode congelar antes de atingir a superfície. Portanto, o segundo pára-quedas de uma área menor fornece uma velocidade inicial de descida de 94 m / s, que diminui para a superfície para 4,7 m / s devido a um aumento na densidade da atmosfera.


Descida de Huygens para Titã

No aniversário, 20 anos de missão, um paraquedas foi implantado para as filmagens do canal Discovery.


Sistemas de foto-vorticidade

Um leitor atento verá nesta fotografia o já conhecido layout DGB-to-Band-D. De fato, as tecnologias desenvolvidas nos aparelhos marcianos eram úteis em um canto completamente diferente do sistema solar.

Como estamos falando de dispositivos europeus, podemos lembrar o "Schiaparelli", que caiu na fase final, mas conseguiu travar com sucesso um pára-quedas supersônico no DGB.


Fotos da ESA

Discos voadores infláveis

As leis da física não mudaram, e o paraquedas DGB pode ser usado agora, mas para dispositivos relativamente pequenos. Então a zona inexplorada começa - nos anos 60, o único teste com uma carga de mais de uma tonelada falhou. Um pouco da capacidade de elevação pode ser obtida com o uso de novos materiais de cobertura e funda, mas o Curiosity chegou perto do limite de segurança que a tecnologia antiga poderia fornecer. Mas eu quero pousar em Marte aparelhos cada vez mais pesados. Você precisa criar algo novo. Um projeto experimental desse tipo foi o desacelerador supersônico de baixa densidade (LDSD). Aqui eles estão tentando implementar duas alterações ao mesmo tempo. Primeiro de tudo, o paraquedas DGB é alterado para round-bungee. Em segundo lugar, para desacelerar ainda mais, a área do reservatório de ar é aumentada inflando o “colar” anular.


Imagem da NASA

O novo sistema terá que fornecer aterrissagem em sondas de 2-3 toneladas de Marte. Mas em dois testes o pára-quedas quebrou. O terceiro era esperado em 2016, mas até agora nada se ouviu sobre ele.





Portanto, o para-quedas do rover 2020 ainda pode estabelecer recordes, abrindo em 0,4 segundos e suportando uma carga de pico de 37 toneladas, mas aterrar algo mais pesado que o rover 2020, simplesmente aumentando-o não funcionará.


Divulgação do pára-quedas Rover 2020

Peteca

A idéia do “colarinho” de abertura do LDSD é baseada em uma abordagem fundamentalmente diferente, quando, em vez do paraquedas usual, é usada uma peteca inflável. E aqui o último no tempo serão vários testes russos de diferentes graus de sucesso. Em 2000, o bloco de reforço da fragata e a cápsula com instrumentos entraram em órbita. Eles travaram para entrar na atmosfera e abriram as petecas antes de entrar em suas densas camadas. Na "Fragata", eles encontraram apenas tanques de titânio, mas a cápsula, apesar do fracasso do segundo "colar" mais largo, sobreviveu à queda. Em 2001 e 2002, infelizmente, eles não conseguiram encontrar uma carga útil. No início de 2005, a bancada de testes entrou em contato, tendo passado pelo estágio de frenagem na nuvem de plasma, mas após 23 segundos ficou silenciosa e não pôde ser encontrada na área da queda. Apesar da falta de ensaios bem-sucedidos, a ONG em homenagem a Lavochkina e SIC em homenagem a Babakin têm grandes esperanças para o conceito. Do outro lado do oceano, na NASA, existem projetos similares LOTFID e HIAD-2.


Bloco de aceleração "Fragata" com "peteca", ilustração do Centro de Pesquisa com o nome de G.N. Babakina

Challenge 2020

Em 2020, não apenas o rover da NASA, mas também o módulo russo-europeu Exomars, que incluirá o rover Rosalind Franklin e a plataforma cossaca, irão para Marte. Uma característica interessante da plataforma de pouso, 80% da qual faz delas ONG. Lavochkina, são dois pára-quedas. Primeiro, o habitual tipo supersônico de DGB será aberto; depois, quando a velocidade se tornar subsônica, um segundo pára-quedas de asa redonda com um diâmetro de 35 metros será aberto, o maior da história do estudo de Marte.


Imagem da ESA

De acordo com as últimas notícias , surgiram lacunas em ambos os paraquedas durante um teste recente. Eles não foram suficientes para tornar o esforço de frenagem insuficiente, mas o problema, é claro, precisa ser corrigido. Felizmente, ainda há tempo para isso - o Exomars 2020 voará em junho de 2020.

Conclusão

Os paraquedas permanecem eficazes principalmente devido ao seu baixo peso. E mesmo que a nave espacial SpaceX, para a qual é proposto o uso de asas e motores no pouso, inicie sondas não tripuladas por um longo tempo, eles usarão tecnologias comprovadas - um pára-quedas supersônico e frenagem a uma velocidade relativamente baixa é mais vantajoso em massa do que frear exclusivamente em motores supersônico.

Material preparado para o portal N + 1 , publicado na edição original.