Подобно исследователям древности, планетарные зонды отправляются в полную неизвестность.
Подобно тому, как древние картографы заполняли неизведанные края своих морских карт рисунками морских чудовищ и драконов, современные создатели транспортных средств, путешествующих на другие планеты, сталкиваются с множеством опасностей, как воображаемых, так и реальных. В первые дни освоения космоса НАСА беспокоилось из-за возможности того, что спускаемые аппараты Аполлона могут утонуть в лунной пыли, как в зыбучих песках. По мере того, как мы продвигаемся в глубь солнечной системы и исследуем новые фантастические миры, потенциальные угрозы также становятся все более экзотическими: от огромных ледяных шипов на Европе до огромных океанских волн на Титане.
Утопление в лунной пыли
Президент Джон Ф. Кеннеди заявил, что Америка высадит человека на Луну до конца десятилетия. Но для этого кто-то сначала должен был выяснить, какого размера должны быть опоры лунного корабля. Известный астрофизик из Корнелла Томас Голд утверждал, что поверхность лунных морей может быть толстым слоем очень рыхлой мелкой пыли, которая может не выдержать веса спускаемого аппарата, и он просто утонет.
Геологи, изучавшие горы и кратеры на Луне, обнаружили, что этот сценарий трудно спрогнозировать, но телескопические измерения быстрого охлаждения лунной поверхности во время затмения показали, что по крайней мере самый верхний слой поверхности состоял из пыли. Спустя годы конструктор космических кораблей Колдуэлл Джонсон вспомнил встречу, на которой инженер Оуэн Мейнард наконец с раздражением заявил:
«Должно быть как в Аризоне! Луна просто обязана быть похожа на Аризону! Не может быть ничего другого. Итак, давайте спроектируем шасси.»
К счастью, целая серия беспилотных спускаемых аппаратов, предшествовавших Apollo, Lunar Surveyors, дала уверенность в том, что поверхность Луны не поглотит астронавтов, и подтвердила правильность характеристик поверхности, по которым уже были спроектированы шасси Apollo.
Рельеф Марса
Первоначально первый «Викинг» должен был приземлиться 4 июля 1976 года. Однако, чем больше геологи "Викинга" изучали ландшафт с помощью камер орбитальных аппаратов, тем более устрашающе выглядели места, выбранные на основе изображений предыдущих миссий (с более низким разрешением). Они видели то, что казалось глубокими кратерами или пустынным ландшафтом с песком. Изображения орбитального аппарата "Викинг" имели разрешение всего 100 метров, поэтому можно было увидеть только крупномасштабные характеристики ландшафта.
Тогда был задействован новый принцип - радар. Цепь радиосигналов, излучаемых с Земли на Марс.
Так была изучена шероховатость поверхности в масштабе длины волны (около 10 сантиметров), очень важная информация для безопасности посадки. Если посадочный модуль будет напорется на скалу диаметром всего 50 сантиметров, его дно может быть повреждено, или если одна опора будет находится выше, чем другие, наклон может помешать посадочному модулю выкапывать образцы или правильно направить антенну.
Но носителями этих данных были инженеры-электрики, которые описали свои открытия в математических терминах, которые были неясными и незнакомыми геологам, и поэтому данным с радара, возможно, не предавали большого значения. Даже лучший синтез всех данных все равно остается лишь догадками. К счастью, «Викинг-1» благополучно приземлился в полной неизвестности. «Викинг-2» также благополучно приземлился, хотя одна из его опор попала на возвышение (а на снимках «Викинг-1» всего в нескольких метрах, была изображена скала, которая могла стать фатальной для аппарата).
Волны на Титане
Миссия НАСА / ЕКА «Кассини-Гюйгенс» показала, что спутник Сатурна Титан представляет собой мир, наполненный озерами и морями, состоящими из жидкого метана. В 2010 году команда во главе с Эллен Стофан (ныне директор Национального музея авиации и космонавтики им. Джона и Эдриенн Марс) предложила следующую миссию, в результате которой капсула приземлится в озеро Лигейю, которая лучше всего нанесена на карту северных полярных морей Титана.
Эта капсула, фактически буй, будет дрейфовать в потоках и ветрах в море сжиженного природного газа, измеряя его состав и глубину с помощью гидролокатора и записывая погодные данные, чтобы понять, как взаимодействуют эта экзотическая атмосфера и океан. Как и следовало ожидать, инженеры космических кораблей мало знакомы с сонарами, но Лаборатория прикладной физики Джонса Хопкинса, которая отвечала за управление проектом, к счастью, также выполняет обширную работу для ВМС США, так что были эксперты и по сонарам.
Капсула должна отправлять данные прямо на Землю, что возможно только в течение северного летнего сезона на Титане, когда Солнце и Земля находятся значительно выше горизонта. Для этого потребуется небольшая антенна, чтобы оставаться на связи с Землей, в то время как капсула будет раскачивается на волнах. В принципе, это несложно - круизные лайнеры имеют спутниковое телевидение благодаря аналогичной технологии, - но для оценки того, на сколько подвижными должны быть антенна, сначала потребуется оценка того, как сильно капсула будет качаться. Насколько большими будут волны и с каким периодом?
Первым шагом, конечно же, является оценка скорости ветра. Конечно же у конструкторов были компьютерные модели атмосферной циркуляции на Титане. Одна модель могла предоставить неточные данные, поэтому были рассмотрены 4 независимых. Хотя они различались по времени года и направлению ветра, но по крайней мере, все они совпадали по диапазону скорости ветра, не более одного метра в секунду.
Затем необходимо было составить зависимость средней скорости ветра к средней высоте волны. Необходимо было изменить эмпирические земные отношения - например, атмосфера Титана плотнее воздуха на Земле, и эта плотность облегчает возникновение волн. Но гравитация Титана ниже, чем на Земле.
Обратите внимание: ГИД В МИРЕ КОСМОСА.
В более низкой гравитации волны становятся больше, но движутся медленнее. Принимая во внимание эти факторы, удалось определить, что средняя высота волны при ветре один метр в секунду, будет небольшой, примерно 0,2 метра. Но не все так просто. Случайное наложение волн с разных направлений дает статистическое распределение, например, одна волна из тысячи вдвое превышает среднюю высоту. Поскольку ожидаемая миссия должна продлится шесть дней на Титане (90 земных дней или около двух миллионов периодов волн), статистические расчеты показали, что на 99 процентов, за все время миссии не будет ни одной волны, которая больше средней в 4 раза.Во всем этом был нюанс, заключающийся в том (как знают многие яхтсмены) у капсулы, как и у многих динамических систем, был характерный период качания. Это означало, что критичные углы качания на самом деле не связаны с сильным ветром. Несмотря на то, что он и был причиной самых больших волн, более тихий ветер поднимал маленькие волны, но с большим периодом. И хотя эти волны были меньше по амплитуде, они резонировали с движением капсулы, вызывая большее раскачивание. Этот анализ определил, насколько быстрыми должны быть двигатели наведения антенны, чтобы не терять контакт с Землей.
В конце концов, НАСА выбрало миссию InSightдля изучения недр Марса, а не буй для морей Титана.
В 2010-х годах было подсчитано, что к тому времени, когда космический корабль достигнет Титана в конце 2020-х, северное лето закончится и прямая связь с Землей из морей станет невозможной.
"Запекаем" на Венере
Последней (и единственной) миссией США по достижению поверхности сестринской планеты была Pioneer Venus, более четырех десятилетий назад. В эту миссию входили орбитальный аппарат и четыре зонда, спустившихся в адские глубины атмосферы. Хотя в целом зонды работали хорошо, во время спуска их внешние датчики (в частности, датчики температуры) загадочным образом вышли из строя на одной и той же высоте: около 12 километров. В то время предполагалось, что это какой-то электрический разряд, но такой эффект кажется маловероятным совпадением для всех зондов, которые находились на расстоянии тысяч километров друг от друга.
Понимание и окончательная диагностика ошибок часто происходит медленно. Спустя 12 лет после Pioneer Venus, наконец, был созван семинар, чтобы разобраться в том, что произошло. Судя по отдельно опубликованным материалам этого семинара, в то время каптоновая лента для проводки на датчиках была проверена на совместимость с высокой температурой атмосферы Венеры, термоусадочные трубки Kynar также использовались для усиления некоторых соединений проводов. Когда эта трубка нагревалась при температуре выше 600 К (327 градусов по Цельсию), она выделяла едкие пары фтористого водорода, которые разрушали каптон, замыкая датчики. Простое улучшение привело к неожиданной поломке.
Тщательное внимание к выбору материалов позволило избежать этой проблемы, датчики советского зонда ВЕГА-2 пережили их посадку на Венеру в 1985 году.
Европа - смертоносные ледяные шипы
Ледяной спутник Юпитера Европа, как полагают, имеет глобальный океан глубиной около 100 километров под ледяной корой толщиной около 15 километров. Хотя не ясно, могла ли жизнь возникнуть в такой среде, это кажется весьма правдоподобным. Но достаточно ли мы знаем о поверхности Европы, чтобы спроектировать посадочный модуль? Лучшие изображения, которые у нас есть с зонда Galileo, показывают шероховатую поверхность, но они покрывают лишь крошечную часть спутника. Поэтому мы снова вынуждены рассматривать процессы, которые формируют поверхность и создают потенциальные опасности.
Как известно любому, кто имел дело с продуктами, примёрзшими в морозильной камере, лед может образовываться даже при температуре значительно ниже точки плавления. Процесс испарения и повторной конденсации может происходить как в вакууме, например на поверхности Европы, так и в воздухе, и переносит лед с поверхностей, обращенных к солнцу, на более холодные. Дефекты плоской поверхности могут увеличиваться из-за такого образования льда, и в результате ледники на Земле часто образуют «чашевидную» поверхность. Но процесс может доходить до крайности, образуя ужасающие ледяные шипы высотой четыре с половиной метра в некоторых местах гор Анд. Эти шипы называются «кающимися», потому что они напоминают белые капюшоны церковных прихожан. Они также выглядят как худший кошмар для конструкторов космических кораблей.
Математические модели твердого льда, испаряющегося на Европе, показывают, что шипы теоретически могут образовываться, но это не значит, что они образуются. Возможно, на помощь придет радар, поскольку конические выступы должны эффективно поглощать энергию от многократных отражений, как стены безэховых камер, используемых для акустических испытаний. Радиолокационные измерения и другие данные миссии НАСА Europa Clipper, запуск которой запланирован на 2024 год, могут помочь решить эту проблему раз и навсегда.
Я надеюсь, вы узнали что-нибудь новенькое из этой статьи. Поставьте лайк или дизлайк и подпишитесь. Увидимся!
Больше интересных статей здесь: Космос.
Источник статьи: Как приземлиться в инопланетном мире или банальные трудности освоения космоса, которые сложно решать..