Что нужно сделать, чтобы посадить космический аппарат на Марс

Конспект материала Wired о том, как новое поколение космических учёных использует высокотехнологичные материалы, чтобы воскресить давно забытую конструкцию сверхзвукового парашюта.

У Джима Туми есть одна слабость — ему нравится коллекционировать предметы, связанные с космосом. Но Джиму не хватает денег на всё, что он хочет приобрести. Поэтому на одном из аукционов NASA он был вынужден сдерживать себя, хотя среди лотов были мешок из-под лунной пыли с «Аполлона-15» и бортовой журнал «Джемини-5».

Вместо них Туми купил несколько ничем не примечательных вещиц — греющий кабель скафандра, деталь хвостового стабилизатора шаттла и четыре катушки 16-миллиметровой плёнки, на которых, как заявлялось, содержатся какие-то записи, связанные с «Викингом» — программой NASA по изучению Марса.

Туми отдал все свои приобретения Музею Южной Флориды, где был попечителем. И хотя музей обрадовался подаркам, они бы не вызвали большого интереса у публики, поэтому их отправили в запас.

Через несколько лет, в 2015 году, Туми позвонили из аукционного дома, продавшего плёнки. Представитель аукциона сообщил, что с ними связался инженер из Лаборатории реактивного движения (JPL) по имени Роб Мэннинг. Он непременно хотел вернуть эти записи, так как, по его словам, их продали по ошибке.

Туми связался с Мэннингом, заверив его в полной сохранности плёнок. Оказалось, что на этих катушках — единственная сохранившаяся съёмка испытаний сверхзвукового парашюта, разработанного в рамках программы «Викинг» в 1972 году.

Зачем нужен такой парашют, спрашивает автор статьи Брендан Кёрнер. Атмосфера Марса на 99% тоньше земной. Инженеры понимали, что космический аппарат, приближаясь к поверхности планеты, достигнет сверхзвуковой скорости. Поэтому для торможения необходимо было создать парашют нового поколения, который смог бы вынести такую колоссальную нагрузку.

Испытания, запечатлённые на плёнку, стали настоящим инженерным триумфом. Конструкция оказалась настолько удачной, что увеличенной версией парашюта пользовались при посадке на Марс станции Curiosity в 2012 году, то есть спустя 36 лет после приземления первого марсианского модуля «Викинг-1».

Однако подобные парашюты рискуют устареть, продолжает журналист. Проблема в том, что создаваемого ими сопротивления не хватает для замедления тяжёлых грузов — NASA планирует отправку на Марс аппаратов весом до 20 тонн. По этой причине инженеры JPL пытаются создать новый парашют, который справился бы с насущными задачами.

В разработке парашютов, шутит Кёрнер, романтики меньше, чем в работе с ракетами. Однако их ценность неоспорима, и лучше всех это понимали организаторы операции «Скрепка», по результатам которой в США после окончания Второй мировой войны были завербованы сотни немецких учёных.

Среди переехавших в Штаты были Теодор Кнаке и Гельмут Генрих. Их поселили на одной из военных баз в Огайо и поручили проект по разработке парашютов для реактивного бомбардировщика B-47 (технологии реверса тяги тогда только зарождались). Там Кнаке изобрёл ленточный парашют, надёжный и недорогой. Генрих тем временем зарегистрировал множество патентов по улучшению стабильности купола во время развёртывания.

С началом Американской космической программы Кнаке и Генрих получили возможность сделать карьеру и за пределами военной базы. В США тогда можно было по пальцам пересчитать специалистов, занимающихся парашютами. Инженеры NASA в то время пытались реализовать идею крыла, управляющего космическим кораблём по возвращении на Землю. Парашюты, однако, оказались более эффективными.

Кроме того, работа с тканями и швами считалась женским занятием. «Да, были инженеры, которые смотрели на всё это и говорили: это женское занятие», — вспоминает Чак Лоури, инженер, разработавший систему посадки командных модулей кораблей «Аполлон». Когда он работал в одной аэрокосмической компании, из 100 тысяч сотрудников Лоури был единственным, кто занимался парашютами.

Немецким инженерам удалось воспользоваться сложившейся ситуацией. Фактически они стали основателями целой отрасли разработки космических парашютов. Кнаке открыл собственную компанию, которая занималась созданием парашютов, в том числе и для программ «Аполлон» и «Джемини». Именно по рекомендации Кнаке в космическом агентстве остановились на связке из трёх парашютов для посадки капсул «Аполлонов».

Генрих, в отличие от Кнаке, сделал академическую карьеру, получив место преподавателя в Университете Миннесоты, где основал лабораторию. NASA очень щедро спонсировало разработки Генриха, уделяя особое внимание созданию парашюта, способного выдержать сверхзвуковую нагрузку. И хотя агентство ещё не запустило в космос даже человека, оно верило: такой парашют рано или поздно понадобится.

Перед инженерами стояла чрезвычайно сложная задача. По словам Лоури, парашюты очень непредсказуемы, их поведение даже на небольших скоростях просчитать сложно. Что уж говорить о сверхзвуке, отмечает он.

Генрих как никто другой подходил для решения этой проблемы, так как ранее ему удалось её решить, правда, в менее крупных масштабах. Во время войны он сконструировал небольшой парашют, с помощью которого в Люфтваффе контролировали падение мин и торпед. Парашют был настолько стабилен, что выдержал тест в аэродинамической трубе на скорости почти 4000 км/ч.

Поработав какое-то время под руководством немецкого исследователя, Экстром получил место в компании Гилмора Шжелдала, занимавшейся производством метеозондов. Экстрому поручили создать парашют для спуска ракет, поднимающихся на высоту 60-90 километров. Плотность атмосферы на этих отметках почти такая же, как на Марсе.

В 1964 году Экстром создал рабочий парашют, разработка получила название DGB (disk-gap-band). Его конструкция была довольно простой. Экстром разделил купол на две части — верхнюю, напоминающую диск, и нижнюю, похожую на кольцо.

Поведение парашюта на больших высотах сильно впечатлило специалистов NASA, и агентство наняло Экстрома для работы над сверхзвуковыми прототипами. Во времена Холодной войны NASA было одним из главных инструментов правительства, поэтому проблем с финансированием не было. Это позволило Экстрому и его коллегам сосредоточиться на разработках.

К началу 1970-х годов в распоряжении космического агентства было два «претендента» для полёта на Марс — DGB-парашют Экстрома, который славился точным раскрытием, и модификация ленточного парашюта Кнаке. В итоге инженеры остановились на более простом варианте Экстрома. Контрольный тест этого парашюта и виден на записях, которые искал Мэннинг.

В офисе JPL Кёрнера встретил Йен Кларк — ведущий специалист по разработке системы торможения нового поколения. Он вручил журналисту кусок ультралёгкого нейлона, который инженер оторвал зубами от большего фрагмента.

Кларк почти ничего не знал о парашютах, когда присоединился к JPL в 2009 году. Во время работы над PhD он занимался надувными деселераторами — гигантскими подушками, которые размещаются внизу ракеты и в развернутом состоянии напоминают объёмную юбку. В теории такая подушка может замедлить падение до скорости ниже звуковой всего за несколько минут, после чего раскроются парашюты, и груз приземлится.

Но на деле всё оказалось гораздо сложнее. Кларк признаётся, что такой деселератор должен быть чересчур большим, и это в итоге делает его неэффективным. Ко второму году работы в NASA инженер начал задумываться о совмещении в одной конструкции надувного деселератора и сверхзвукового парашюта.

На воплощение этой идеи лаборатории выделили $200 млн. Помимо создания конструкции, напоминающей летающую тарелку весом порядка двух тонн, которая вмещает в себя и подушку, и парашют, инженеры должны были разработать и новый сверхзвуковой парашют. Планировалось провести три теста этого аппарата. Эти испытания, пишет Кёрнер, — первые испытания сверхзвукового парашюта с 1972 года.

Исследования в этой области не проводились более 40 лет, поэтому инженерам JPL пришлось творчески отнестись к созданию команды. Так, к исследователям присоединилась Клара О’Фаррелл, инженер из Аргентины, которая занималась изучением движения медуз — в лаборатории пригодились её знания в динамике жидкостей.

Кларк и его команда протестировали 55 различных парашютов в аэродинамической трубе. Уже на этом этапе они отмели несколько конструкций, а именно те, которые после повреждения не выдерживали повторного теста. Такой парашют не выдержал бы и посадку на Марсе.

Параллельно Кларк изучал старую литературу о парашютах. Постепенно он пришёл к выводу, что ленточная конструкция, более сложная в производстве, чем DGB, но которая гораздо стабильнее ведёт себя в воздухе, подходит лучше.

Однако вместо того чтобы сразу отвергнуть DGB, инженер совместил оба дизайна, сделав нижнюю часть парашюта из лент, а верхнюю — из одного куска материи. В июле 2014 года был провёден первый тест, показавший ненадёжность конструкции — если надувной деселератор сработал как надо, то парашют разорвало на куски ещё до того, как он успел раскрыться, отмечает Кёрнер.

Для второго испытания парашют сделали полностью ленточным — большой кусок ткани заменили на треугольные панели.

Перед тестом в атмосфере лаборатория провела эксперимент на ракетной тележке, который парашют с успехом выдержал (нагрузка была даже выше необходимой). Поэтому команда была настроена весьма оптимистично. Инженеры надеялись повторить подвиг коллег, сделанный почти 50 лет назад.

Второй спуск начался успешно: деселератор сработал, снизив скорость аппарата, после чего был выпущен парашют. И когда он раскрылся на 98%, одна из треугольных частей купола оторвалась. Тут же парашют развалился на множество лент.

Исследователи были просто потрясены. Все тесты и расчёты указывали на положительный исход запуска. В тот момент Кларк понял, что слишком сильно полагался на расчёты. С другой стороны, инженеры просто не имели достаточного количества данных о поведении парашюта на сверхзвуковой скорости, поэтому расчёты были единственным ориентиром.

И вот, через четыре месяца после второго испытания, пишет Кёрнер, Роб Мэннинг нашёл те самые записи, которые Туми приобрёл на аукционе. Музей Южной Флориды согласился вернуть их бесплатно. Кларку нужно было только самому забрать катушки и провести в музейном планетарии небольшую лекцию.

По возвращении в калифорнийскую лабораторию Кларк помчался в Голливуд, чтобы восстановить записи. Оказалось, что они в отличном состоянии. Для инженера это был значимый момент — наконец-то у него появились визуальные доказательства того, как должно выглядеть раскрытие сверхзвукового парашюта, когда всё идет по плану.

Кларк также обратился за помощью к инженерам, которые учились ещё у Кнаке с Генрихом. Они словно интуитивно чувствовали поведение материала при колоссальных нагрузках. Лоури, например, посоветовал укрепить лентами места разрывов при втором тесте. Но Кларк решил, что его главный приоритет — сбор данных и максимальное эффективное использование преимуществ старых разработок. Это значило, что стоило отдать предпочтение парашюту DGB.

Для реализации проекта понадобилось много времени. Внезапно NASA урезало финансирование программы по разработке парашюта на 85%, перераспределив деньги на ремонт спутников. Но команде JPL удалось получить грант в рамках миссии Mars 2020.

Её руководители настаивали на использовании DGB-парашютов, но позволили Кларку продолжить собственные исследования и даже провести тест в атмосфере. Всё это, однако, при одном условии — инженерам JPL необходимо было повторить тест с парашютом от Curiosity. Если у них получится, они смогут протестировать свою конструкцию.

В октябре 2017 года состоялся эксперимент с парашютом для марсохода. Всё прошло хорошо, и он дал инженерам ощущение, что они наконец сдвинулись с мёртвой точки. Однако этот парашют не подходит для доставки на Марс десятитонного груза.

Следующее испытание, на этот раз разработки JPL, было намечено на 20 марта 2017 года. Кларк и его коллеги придерживались конструкции DGB, которую у них получилось значительно улучшить. В частности, они использовали новый тип нейлона — в три раза крепче и вполовину легче, чем тот, который вручили журналисту при знакомстве. Изменили и плетение строп.

Раскрытие купола на этот раз снималось со скоростью 1000 кадров в секунду в разрешении 4K. Теперь Кларк мог рассмотреть мельчайшие детали — столько информации он не извлёк даже из всех старых данных NASA.

Несмотря на успехи, Кларк тем не менее признаёт, что все его усилия, возможно, напрасны. В конце концов исследования могут привести к тому, что приземление на Марс двадцатитонных аппаратов будет безпарашютным. Так, уже сейчас в SpaceX обсуждают возможность посадки корабля на поверхность красной планеты с помощью двигателей.

Но идею с парашютами, отмечает автор, не оставят ещё очень долго. Говоря простыми словами, объясняет Кёрнер, несколько килограммов ткани гораздо эффективнее в торможении, чем несколько килограммов топлива. До Марса — 65 миллионов километров, и даже самый небольшой вес может стать рубежом между горой обломков и триумфальным успехом.

#будущее #космос