«Марс 2020» или первый полёт в пределах атмосферы Марса

Несмотря на цифру 2020 в названии, событие, о котором я собираюсь сейчас поведать, произошло 18 февраля 2021 года, а именно посадка на Марс ровера «Perseverance» в ходе миссии Марс – 2020. Будучи запущен 30 июля 2020 года этот робот в компании маленького коптера «Ingenuity» проделал долгий путь до красной планеты, который успешно завершился. Аккаунт ровера в твитере:

Хобби ровера:

• фотографирование
• собирание камней
• езда по бездорожью

Теперь, перейдём к самой посадке.

Как я написал ранее, всё прошло немного не так как планировалось. Ниже схема посадки, следует обратить внимание на последнюю стадию, со «Sky Crane»(железной штуковиной над ровером и тросами), как раз там были небольшие проблемы. Так же прошу обратить внимание на реактивные выхлопы «Sky Crane», их там не должно видно , об этом чуть позднее.

Вот эта стадия, только увеличенная:

По этапам:

• открытие купола парашюта  420 м/с
• сброс термозащиты 160 м/с, высота 7-11 км
• отстрел парашюта 105 м/с, высота 2 км
• начало работы двигателей скайкрана 89 м/с
• отделение ровера и его спуск на тросах скайкрана 0,75 м/с, высота 22 м
• касание (touchdown TD ) 0,75 м/с
• отстрел и увод скайкрана (fly away) на расстояние 1 км

Принцип посадки с использованием «Sky Crane» заключается в временном удержании ровера над поверхностью на тросах, при помощи реактивной тяги крана, уже после отделения парашюта.

После этого должно быть плавное касание поверхности ровером и отстрел уже ненужного крана. В реальности «Sky Crane» отделился слишком поздно + для отстрела пришлось увеличить тягу больше чем планировалось, в результате всего этого бедный ровер закидало песком. Самая ирония заключается в том, что  «Sky Crane» разрабатывался с целью минимизировать попадание песка на ровер, дабы не портить электронику.

Вот так всё должно было быть (компьютерное моделирование посадки):

А это реальная картинка с Марса — просто тучи песка сыпятся на ровер.

Ровер и оборудование, на удивление, никаких серьёзных повреждений не получили.

Вот марсианский песочек на марсоходе крупным планом:

Но нет худа без добра, с другой стороны ровер посадили очень даже неплохо, учитывая, что зона посадки была 10х10 км — почти попали в точку назначения + не задели опасные горы (край кратера Jezero), которые были чуть ли не самым опасным препятствием.

Вот карта с местом назначения и ровером (красная стрелка показывает на высохшее устье, которое интересно для исследований ~2км от места посадки):

Теперь к выхлопам от «Sky Crane», точнее об их отсутствии.

Почему реактивный выхлоп видно в компьютерной модели и не видно в реальной посадке?

Да, это фото скайкрана со стороны ровера на фоне марсианского неба…

Заодно развеем мутные домыслы всяких недоконспирологов, пишущих про нереальность данного явления и всей миссии в целом.

Выхлоп не видно из-за необычного топлива, гидразина N₂H₄, который пропускают через нагретую сеточку из иридия. В результате жидкий гидразин распадается на два газа: азот и водород, которые и дают реактивную тягу для торможения (процесса горения нет)

Главный герой Марк Уитни в романе «Марсианин» занимался тем же самым для получения воды, он сначала из гидразина выделял водород.

«Я поворачивал клапан, пока не показалась струйка гидразина. Затем капнул одну каплю в иридиевую чашу. Капля вяло зашипела и исчезла. Но именно это мне и требовалось! Я только что получил водород и азот. Ура!»

Так как гидразин используется как монотопливо — там крайне низкий удельный импульс.

Удельный импульс реактивного двигателя — это фактически скорость истечения рабочего тела из сопла.

Для двигателя с горением — порядка 3000-3500 м/с, а монотопливо — порядка 1000 м/с . Учитывая, что при горении температура там тысячи градусов, а у монотоплива гидразина газы имеют температуру минус 50 градусов — особо не полетаешь, только для торможения хватает и посадки (молекулы сами по себе медленно летают).

Теперь вспомним школьную физику: импульс p=m*V. Из этой формулы можно сделать вывод, что чем больше скорость истечения рабочего тела (тот самый удельный импульс), тем меньше нам нужен запас топлива.

Во время трансляции остаток топлива в скайкране показывали. На момент сброса парашюта — 400 кг, к моменту отцепления тросов — меньше 90 кг. На торможение ушло порядка 310 кг. гидразина.

Поэтому без марсианского парашюта для посадки никак не обойтись.

Вот и до парашюта добрались, ему отдана одна из главных ролей в посадке, и посвящена одна интересная история. Почти 330 м/с гасят парашютом, что очень много. Марсианский парашют для гашения скорости снижения — вещь тоже не простая.

Устоявшаяся скорость свободного падения у поверхности (из-за сопротивления атмосферы):
— Земля = без парашюта 50 м/с, с парашютом 7 м/с, скорость звука 330 м/с
— Марс = без парашюта 300 м/с, с парашютом 100 м/с, скорость звука 240 м/с

Главная фишка не в разности цифр с двух разных планет, а в том, что на Земле все скорости ниже скорости звука, а для Марса скорость без парашюта выше скорости звука, с парашютом — ниже скорости звука.

Т.е. открытие купола на Марсе происходит на сверхзвуке, потом идет переход на дозвуковую скорость. Это предъявляет достаточно сложные требования к парашюту, он должен нормально работать при разных воздушных потоках (для дозвуковых и сверхзвуковых скоростей совершенно разная физика).

К слову, Perseverance тяжелее примерно на 150 кг Curiosity — но для него пришлось конструкцию парашюта разрабатывать заново.

Парашют Curiosity гасил скорость в атмосфере Марса до 150 м/с, а новый парашют Perseverance  обеспечил торможение до 100 м/с. Выигрыш 50 м/с позволил и уменьшить запас топлива для скайкрана и конечно увеличить полезный вес ровера.

На куполе парашюта также есть интересная расцветка — пасхалка:

В парашюте, украшенном красно-оранжевыми и белыми пятнами, было закодировано секретное сообщение. Но доминирование одного цвета над другим может привести к тому, что парашют будет нагреваться по-другому и в конце концов, менеджеры миссии оказались бы в неловком положении, если бы им пришлось объяснять, как они провалили миссию стоимостью 2,7 миллиарда долларов из-за того, что один из инженеров спрятал в парашюте секретное сообщение, однако всё прошло хорошо. Чередование цветов, было двоичным кодом, который надо читать 10-значными фрагментами, которые можно перевести в небольшие числа и далее в буквы (1 —A, 2 — B, 3 — C, 4 — D и т. д.). Сообщение на трех внешних кольцах: «Dare Mighty Things» («Совершайте великие дела»). Частая фраза в JPL, где был создан «Perseverance».

Сообщение на четвертом кольце: долгота и широта центра NASA: 34 ° 11’58 ”N 118 ° 10’31” W. Если вы откроете Google Earth и введете эти координаты, то окажетесь в 3 метрах от входа  в JPL (г. Пасадена, США).

На самом ровере есть ещё несколько маленьких пасхалок:

1. Серия рисунков, на которых изображены пять роверов, отправленных NASA на Марс – от небольшого «Sojourner» до «Perseverance»:

2. Табличка для калибровки цветов одной из основных камер марсохода,  с изображением ДНК, ракеты и динозавра. На краю таблички  надпись: «Мы здесь одни? Мы прибыли чтобы искать признаки жизни и собирать образцы для изучения на Земле. Тем, кто за нами последует, желаем безопасного путешествия и счастливых открытий».

Дело в том, что атмосфера на Марсе и на Земле работает как фильтр солнечного света. Атмосфера разная — и цвета предметов (под разным освещением) тоже получаются немного разными:

• на Марсе белый предмет с Земли будет выглядеть желтоватым
• на Земле белый предмет с Марса будет иметь голубой оттенок

В завершение, нельзя не сказать ещё раз про коптер «Ingenuity», который совершит первый в истории полёт в пределах атмосферы Марса, здесь можно пошутить про то, что » Давненько ничего не летало в атмосфере Марса».

Вот тут можно посмотреть на перемещение ровера в реальном времени

https://mars.nasa.gov/mars2020/mission/where-is-the-rover/