Почему NASA пытается совершить жесткую посадку на Марсе

jpl.nasa.gov, 20.10.2022

SHIELD, концепция марсианского спускаемого аппарата, который позволит миссиям с меньшими затратами достичь поверхности Красной планеты путем безопасной жесткой посадки с использованием складного основания для поглощения удара. Credit: California Academy of Sciences

Подобный зоне деформации автомобиля, экспериментальный посадочный модуль SHIELD спроектирован таким образом, чтобы поглощать сильные удары.

NASA успешно посадило на Марсе девять спускаемых аппаратов, полагаясь на передовые парашюты, массивные подушки безопасности и реактивные двигатели, чтобы безопасно доставить космический корабль на поверхность. Сейчас инженеры проверяют самый простой способ добраться до марсианской поверхности - потерпеть крушение.

Вместо того, чтобы замедлять высокоскоростной спуск космического корабля, экспериментальная конструкция посадочного модуля под названием SHIELD (Simplified High Impact Energy Landing Device - Упрощенное устройство посадки с высокой ударной энергией) будет использовать складное основание, похожее на меха аккордеона, которое действует как зона деформации автомобиля и поглощает энергию сильного удара.

Новый дизайн может значительно снизить стоимость посадки на Марс за счет упрощения мучительного процесса входа, спуска и посадки, а также расширения вариантов возможных мест посадки.

SHIELD — это концепция марсианского посадочного модуля, которая может позволить недорогим миссиям посетить марсианскую поверхность за счет использования складного основания, поглощающего удары, для безопасной жесткой посадки. Credit: NASA/JPL-Caltech

«Мы думаем, что могли бы отправиться в более коварные районы, где мы не хотели бы рисковать, пытаясь посадить вездеход стоимостью в миллиард долларов с нашими текущими системами посадки, — сказал руководитель проекта SHIELD Лу Гирш из Лаборатории реактивного движения NASA в Южной Калифорнии. - Возможно, мы могли бы даже разместить несколько из них в разных труднодоступных местах, чтобы построить сеть».

Автомобильные аварии, посадка на Марс

Большая часть дизайна SHIELD заимствована из работы, проделанной для кампании NASA по возврату образцов с Марса. На первом этапе этой кампании марсоход Perseverance собирает образцы горных пород в герметичные металлические трубы; будущий космический корабль доставит эти образцы обратно на Землю в небольшой капсуле и благополучно приземлится в безлюдном месте.

«Изучение подходов к этому процессу заставило инженеров задаться вопросом, обратима ли общая идея, — сказал Велибор Чормаркович, член команды SHIELD в JPL. - Если вы хотите посадить что-то твердое на Землю, почему вы не можете сделать это для Марса?» сказал он. 

«И если мы сможем совершить жесткую посадку на Марс, мы знаем, что SHIELD сможет работать на планетах или лунах с более плотной атмосферой». Чтобы проверить теорию, инженерам нужно было доказать, что SHIELD сможет защитить чувствительную электронику во время посадки. Команда использовала опорную башню падения в JPL, чтобы проверить, как пробирки с образцами Perseverance выдержат жесткую посадку на Землю. При высоте почти 90 футов (27 метров) он оснащен гигантской подвеской, называемой bow launch system, которая может швырять объект на поверхность с той же скоростью, что и при посадке на Марс.

Эта вышка в Лаборатории реактивного движения включает bow launch system, которая может швырять испытываемые предметы в землю со скоростью 110 миль в час, воссоздавая силы, действующие во время посадки на Марс.

Credit: NASA/JPL-Caltech

Чормаркович ранее работал в автомобильной промышленности, тестируя автомобили с аварийными манекенами. В некоторых из этих испытаний автомобили едут на санях, которые разгоняются до высоких скоростей и врезаются в стену или деформируемый барьер. Есть несколько способов ускорить сани, в том числе с помощью стропы, похожей на bow launch system.

«Тесты, которые мы провели для SHIELD, похожи на вертикальную версию испытаний на санях, — сказал Чормаркович. - Но вместо стены внезапная остановка происходит из-за удара о землю».

Сокрушительный успех

12 августа команда собралась у опорной башни с полноразмерным прототипом разборного глушителя [ударов] SHIELD — перевернутой пирамидой из металлических колец, поглощающих удары. Они повесили прототип на захват и вставили в него смартфон, радиоприемник и акселерометр, чтобы имитировать электронику, которую должен нести космический корабль.

Этот прототип SHIELD — поглощающего удар [о поверхность] складного марсианского посадочного модуля, который позволит космическим кораблям намеренно совершать жесткую посадку на Красной планете. Он был испытан в опорной башне падения в JPL 12 августа. Credit: NASA/JPL-Caltech

Вспотев от летней жары, они смотрели, как SHIELD медленно поднимается на вершину башни.

«Услышав обратный отсчет, у меня пошли мурашки по коже, — сказал Натан Барба, еще один участник проекта SHIELD в JPL. - Вся команда была взволнована и хотела увидеть, выдержат ли объекты внутри прототипа удар».

Всего через две секунды ожидание закончилось: носовая пусковая установка врезала SHIELD в землю на скорости примерно 110 миль в час (177 километров в час). Это скорость, с которой марсианский посадочный модуль достигает у поверхности после того, как атмосферное сопротивление замедлило его начальную скорость в 14 500 миль в час (23 335 километров в час) на входе в атмосферу Марса.

В предыдущих тестах SHIELD использовалась грязная «зона приземления», но для этого теста команда положила на землю стальную пластину толщиной 2 дюйма (5 сантиметров), чтобы сделать более жесткую посадку, чем на Марсе. Бортовой акселерометр позже показал, что SHIELD столкнулся с силой около 1 миллиона ньютонов, что сопоставимо с ударом в 112 тонн.

Запись испытания, сделанная высокоскоростной камерой, показывает, что SHIELD ударился под небольшим углом, затем подпрыгнул примерно на 3,5 фута (1 метр) в воздух, прежде чем перевернуться. Команда подозревает, что отскок был вызван стальной пластиной, поскольку в предыдущих тестах отскок не наблюдался.

Открыв прототип и извлекая смоделированную электронную полезную нагрузку, команда обнаружила, что бортовые устройства — даже смартфон — уцелели.

«Единственное оборудование, которое было повреждено, — это несколько пластиковых компонентов, о которых мы не беспокоились, - сказал Гирш. - В целом тест удался!»

Каков следующий шаг? Проектирование остальной части спускаемого аппарата в 2023 году и проверка того, насколько далеко может зайти их концепция.

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti.space)
Оригинал: Why NASA Is Trying to Crash Land on Mars