Как аэрокосмические инженеры выбирают систему посадки? (марсоход «Кьюриосити»)

У меня есть степень в области космической инженерии (это космос, а не аэрокосмическая промышленность; я не изучаю самолеты), поэтому я решил, что должен попробовать этот ответ.

Инженеры НАСА планируют систему такого типа следующим образом: после определения основных параметров миссии они составляют список из нескольких различных систем посадки. Для MSL это включало окончательный дизайн, аэродинамическое торможение, подушки безопасности и множество других возможностей. Со временем они убирают менее осуществимые (обычно есть слот под названием «новая технология», который позволяет использовать новую технологию, о которой мы не думали; обычно ее убирают раньше, так как нам требуется несколько лет, чтобы гарантировать новая технология TRL8). Такие миссии, как MSL, обычно разрабатываются примерно за десять лет до запуска, что дает много времени для уточнения параметров миссии. В какой-то момент было определено, что масса MSL будет слишком велика для развертывания исключительно аэродинамического торможения. Кроме того, они решили, что критически важные системы слишком чувствительны для подушек безопасности, что может серьезно повлиять на точно откалиброванное оборудование (тяжесть также была связана с утилизацией подушек безопасности). Излишне говорить, что одна за другой все альтернативные системы посадки были в конечном итоге отвергнуты как неосуществимые, не соответствующие требованиям миссии, невозможные, слишком дорогие или слишком рискованные (с каждым из них связан анализ рисков. определенная «слишком рискованная» линия исчезла). Как уже упоминалось, многие из этих альтернатив были исключены из-за большого количества симуляций, которые показали, что они не будут работать. И я могу подтвердить, что было много симуляций. Первый (и позже, последнее, что делают инженеры, когда им дают новый набор параметров или новую концепцию миссии, — это моделируют ее, чтобы определить выполнимость, бюджетные ограничения, сроки и т. д. И эти симуляции не ограничиваются НАСА; все делают их и сообщают об интересных выводах. Например, сейчас я физик, нисколько не связанный с НАСА, но для предстоящей миссии OSIRIS-REx я уже провел сотни симуляций, касающихся орбитальных моделей, углов сканирования, скорости загрузки данных, чего угодно. И я сообщил об этих выводах в НАСА. Для чего-то такого масштабного, как MSL, у них были физики и инженеры со всего мира, которые проводили тесты и возвращали соответствующие данные. Затем инженеры НАСА могут взять эти данные и сузить список пригодных для использования систем. И эти симуляции не ограничиваются НАСА; все делают их и сообщают об интересных выводах. Например, сейчас я физик, нисколько не связанный с НАСА, но для предстоящей миссии OSIRIS-REx я уже провел сотни симуляций, касающихся орбитальных моделей, углов сканирования, скорости загрузки данных, чего угодно. И я сообщил об этих выводах в НАСА. Для чего-то такого масштабного, как MSL, у них были физики и инженеры со всего мира, которые проводили тесты и возвращали соответствующие данные. Затем инженеры НАСА могут взять эти данные и сузить список пригодных для использования систем. И эти симуляции не ограничиваются НАСА; все делают их и сообщают об интересных выводах. Например, сейчас я физик, нисколько не связанный с НАСА, но для предстоящей миссии OSIRIS-REx я уже провел сотни симуляций, касающихся орбитальных моделей, углов сканирования, скорости загрузки данных, чего угодно. И я сообщил об этих выводах в НАСА. Для чего-то такого масштабного, как MSL, у них были физики и инженеры со всего мира, которые проводили тесты и возвращали соответствующие данные. Затем инженеры НАСА могут взять эти данные и сузить список пригодных для использования систем. Я уже провел сотни симуляций, касающихся орбитальных схем, углов сканирования, скорости загрузки данных и так далее. И я сообщил об этих выводах в НАСА. Для чего-то такого масштабного, как MSL, у них были физики и инженеры со всего мира, которые проводили тесты и возвращали соответствующие данные. Затем инженеры НАСА могут взять эти данные и сузить список пригодных для использования систем. Я уже провел сотни симуляций, касающихся орбитальных схем, углов сканирования, скорости загрузки данных и так далее. И я сообщил об этих выводах в НАСА. Для чего-то такого масштабного, как MSL, у них были физики и инженеры со всего мира, которые проводили тесты и возвращали соответствующие данные. Затем инженеры НАСА могут взять эти данные и сузить список пригодных для использования систем.

Что касается того, как они рассчитывают силу удара и т. д. У нас есть довольно хорошее представление об атмосферных условиях, гравитационной карте и других важных особенностях Марса. Многие сотни людей, выполняющие сотни симуляций, о которых я упоминал, охватывают все. НАСА использует своего рода «Google Марс», чтобы выбрать ряд потенциальных посадочных площадок и ряд потенциальных систем, а затем публикует эту информацию. Затем моделирование выполняется для каждой системы в каждом месте с использованием конкретных характеристик этого места. Для нашего окончательного результата мы знали карту гравитации и плотность давления. Кроме того, мы можем легко оценить скорость тяги, скорость сближения и множество других параметров. Затем то, что остается, чего мы не знаем, мы аппроксимируем (без шуток, иногда ничто не описывает реальность лучше, чем слепое угадывание). Часто, используя простую ньютоновскую физику и несколько мощных компьютеров, мы можем почти точно смоделировать то, что произойдет. Конечно, в какой-то момент мы действительно выходим и тестируем аналоговую модель на Земле.

Это все, как говорится, есть еще некоторые неизвестные. Раньше на Марсе использовалось очень мало вещей, поэтому каждый раз, когда мы отправляем новый зонд, мы тестируем там новую систему. В то время как MSL приземлился гладко, не все так. Я обращаю внимание на посадочный модуль Beagle II Mars (метко прозванный Mars Polar Crasher), который столкнулся с поверхностью, не сбавляя скорости. Однако во всех случаях мы следим за тем, чтобы выбранная система посадки была наиболее подходящей для работы.

На первый взгляд, это больше инженерный вопрос, чем физический, комментарий Луршера на самом деле дал ответ на него: инженеры думают о возможных решениях и их последствиях, проверяют некоторые из них в симуляциях и, наконец, проверяют некоторые в реальной жизни или на моделях. Обратите внимание, что «подумайте об их последствиях» на самом деле означает выполнение множества расчетов, выполнение базового и детального проектирования и т. д.

Однако существуют физические ограничения, о которых упоминали dmckee и aman. Проблема сводится к масштабированию. Более тяжелому «Кьюриосити» потребуются гораздо более тяжелые подушки безопасности, или гораздо больше топлива (которое нужно доставить на Марс), чтобы оттолкнуться от огненного столба, или огромные парашюты/тормозные щиты для аэродинамического торможения.

ПРИМЕЧАНИЕ. Это можно значительно улучшить, проработав проблемы с масштабом, возможно, я вернусь позже. На данный момент это несколько мягко.

Редактировать: это отличный вопрос для предстоящего Space Exploration SE !

Думаю, мой ответ должен вас удовлетворить. Вот художественное представление о входе, спуске и посадке в марсианской научной лаборатории...

Curiosity имеет большие размеры, так как у него есть 10 научных инструментов для обнаружения наличия жизни на Марсе. Также в качестве топлива он использует многоцелевой радиоизотопный тепловой генератор. Следовательно, подушки безопасности не могут использоваться для управления таким большим весом, поскольку для их переноски необходимо подавать больше топлива, а также нельзя ожидать такого мягкого приземления. Даже аэродинамическое торможениене помогает лендингу, о чем уже говорил @dmckee. Кроме того, три спутника, такие как Mars Express Orbiter Европейского космического агентства, Mars Reconnaissance Orbiter и Viking Orbiter, использовались для изучения окружающей среды Марса для безопасной посадки Curiosity. После входа марсохода в атмосферу Марса такими процессами, как развертывание парашюта, отделение теплозащитного экрана, сбор радиолокационных данных, отделение от аэрооболочки и использование ракетных ускорителей под названием Sky Crane и даже приземление, занимается Curiosity. . Следовательно, НАСА упомянуло это как семь минут ужаса .

Ракетные ускорители — это новый тип посадочной системы, которая обеспечивает достаточную тягу, чтобы преодолеть гравитацию Марса и силу, действующую на марсоход во время входа. Это предлагаемая система посадки, потому что три орбитальных аппарата обновляют каждую ситуацию. Но даже после этих мер предосторожности обратный отсчет приземления Curiosity не соответствовал ожидаемому. Ровер приземлился на несколько минут позже ожидаемого времени из-за серьезных проблем в атмосфере во время входа.

И я беспомощен, чтобы ответить на ваш третий вопрос, поскольку другие уже прокомментировали его. И да, они очень правдивы. Ученые провели миллионы симуляций и тестов, прежде чем приступить к такой рискованной системе посадки.

Одним из факторов, влияющих на систему посадки, является размер вездехода. Система подушек безопасности применима для вездеходов небольшого размера. Марсоход Curiosity размером с автомобиль, поэтому он был слишком тяжелым для метода подушки безопасности.

Интегрированные системы посадки также являются огромным конструктивным ограничением, требующим собственных датчиков, исполнительных механизмов и источника питания. Поскольку система посадки используется один и только один раз, можно считать конструктивным преимуществом ее разделение и избавление от лишнего веса и ответственности.