Чому посадка на Марс набагато складніша за посадку на Місяць

Ігор Сальниченко
28 квіт.
Читати 6 хв

Посадка космічного апарата на інше небесне тіло – надзвичайно складне завдання навіть за сучасного розвитку технологій. Однак м'яка посадка на Марс виявилася значно важчою, ніж на Місяць, про що свідчить статистика: успішно здійснити її вдалося менш ніж у половині спроб [2]. Для порівняння, посадки на Місяць освоєні кількома країнами ще з 1960-х років. У чому ж причина, що Червона планета ставить перед інженерами настільки серйозні виклики? Річ у фізичних умовах Марса – на цій планеті доводиться мати справу з розрідженою, але все ж наявною атмосферою і більшою силою тяжіння, ніж на Місяці. Ці фактори зумовлюють необхідність складних багатоетапних процедур входження в атмосферу, спуску й приземлення (так званих Entry, Descent and Landing, EDL), які отримали в NASA назву «сім хвилин жаху»[6].

Атмосфера Марса: занадто розріджена чи занадто щільна?

Головна відмінність Марса від Місяця – наявність атмосфери. Місяць практично не має атмосфери, тоді як Марс оточений дуже тонким шаром газів (головним чином CO₂). Середній тиск на поверхні Марса становить лише ~6 мбар (приблизно 1% від земного атмосферного тиску)[2, 3]. Інакше кажучи, марсіанська атмосфера більш ніж у 100 разів розрідженіша, ніж на Землі. Для аеродинамічного гальмування це вкрай мало: у такому розрідженому повітрі парашут ловить недостатньо газів, щоб швидко уповільнити важкий апарат[1]. Наприклад, спусковий парашут марсохода Perseverance розкривався на швидкості ~1500 км/год, але навіть він зміг зменшити швидкість лише до ~320 км/год, після чого подальше гальмування довелося здійснювати двигунами[6].

Марсохід Perseverance — Марсохід *Perseverance.* Зображення: NASA/JPL-Caltech. Суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=92431544

Марсіанська атмосфера надто розріджена для ефективного гальмування парашутами, але занадто щільна, щоб її ігнорувати[6]. На високій швидкості входження вона спричиняє значне аеродинамічне нагрівання – без теплозахисного екрану апарат просто згорить під час спуску[1]. Для прикладу, модуль Curiosity при вході у марсіанську атмосферу розжарював тепловий щит до ~1600 °C[6]. Отже, атмосфера Марса занадто розріджена, щоб м'яко сісти лише з допомогою парашута, але її наявність ускладнює посадку порівняно з безповітряним Місяцем.

Вкрай тонка атмосфера Марса також дуже мінлива. Її густина, тиск і погодні умови можуть змінюватися залежно від сезону і навіть викликати пилові бурі, що охоплюють всю планету. Це додає невизначеності: варто змінитися щільності повітря чи силі вітру – і траєкторія спуску апарата відхилиться від розрахункової [7]. На Місяці ж подібних факторів немає: відсутність атмосфери означає, що інженерам не доводиться перейматися аеродинамікою чи погодою, а лише планувати роботу ракетних двигунів.

Гравітаційний фактор: Марс проти Місяця

Другий важливий фізичний фактор – це сила тяжіння. Марс масивніший за Місяць, тому гравітація на ньому суттєво сильніша. Прискорення вільного падіння на поверхні Марса становить близько 3,7 м/с² (≈0,38g), тоді як на Місяці лише ~1,62 м/с² (≈0,17g) [3, 4]. Іншими словами, марсіанська гравітація більш ніж вдвічі перевищує місячну[5]. Для посадки це означає, що апарат на Марсі падає швидше і має більшу вагу (P = m·g). Щоб досягти поверхні цілим, йому треба погасити значно більшу кінетичну енергію (E_k = ½·m·v²) та гравітаційну потенційну енергію (E_p = m·g·h), ніж при посадці на Місяць. Наприклад, друга космічна швидкість (показник необхідної швидкості для виходу з гравітаційного поля) для Марса дорівнює ~5 км/с, тоді як для Місяця лише ~2,4 км/с [3, 4]. Отже, апарат, що спускається на Марс, мусить загасити більше ніж удвічі більшу швидкість у атмосфері та/або двигунами. На практиці це означає більшу витрату палива для гальмування і менше часу на реакцію, адже сильніше тяжіння "притягує" апарат до поверхні швидше.

Художнє зображення посадки космічного апарату на Марс

На Місяці, з його слабким тяжінням, посадковий модуль може відносно повільно сідати, використовуючи тягу двигунів, і навіть зависати кілька секунд для вибору рівного місця (як це робили астронавти програми Apollo). На Марсі ж "затриматися" над поверхнею майже неможливо – двигуни повинні працювати інтенсивніше лише щоб протидіяти падінню. Комбінація сильної гравітації і розрідженої атмосфери робить посадку на Марс одним з найскладніших завдань аерокосмічної інженерії.

Багатоетапна процедура посадки («сім хвилин жаху»)

Через описані вище фактори, схема посадки на Марсі набагато складніша, ніж на Місяці. Якщо місячний посадковий модуль може спуститися, поступово гальмуючи єдиним блоком ракетних двигунів, то марсіанський спуск – це багатоетапна автоматична послідовність, де кожен етап критичний. NASA називає ці вирішальні хвилини посадки «7 minutes of terror» («сім хвилин жаху») – саме стільки часу триває шлях від верхніх шарів атмосфери до поверхні, і весь цей час зв’язок із апаратом затримується (радіосигнал летить з Марса ≈14 хвилин). Отже, апарат має самостійно виконати програму спуску – втручання з Землі неможливе. Будь-яка помилка чи збій означають катастрофу, тому посадкова система спроектована з кількома дублюючими сенсорами та сценаріями на всі випадки [6].

Класична послідовність Entry, Descent and Landing на Марсі виглядає так: спочатку апарат на великій швидкості входить в атмосферу у захисній капсулі з тепловим екраном, який приймає на себе ударне нагрівання. Атмосферне гальмування зменшує швидкість з ~5-6 км/с до надзвукової (~1,5 км/с), після чого розкривається великий парашут [6]. Під парашутом швидкість падає ще до кількасот км/год, але цього недостатньо для безпечної посадки[6]. На висоті декількох кілометрів відбувається скидання парашута і теплового щита, і включаються ракетні двигуни для довгого гальмування. Завдання двигунів – знизити швидкість до кількох метрів за секунду у безпосередній близькості від ґрунту [7].

Далі можливі різні методи м’якого торкання поверхні. Невеликі посадкові апарати можна опустити прямо на двигунах, як це робили апарати Viking у 1976 році (по три тягові ракети на фінальній ділянці)[7]. Інший підхід – повітряні подушки: місія Mars Pathfinder (1997) вперше використала надувні балони, які розгорнулися перед самісіньким зіткненням і пом’якшили удар о поверхню[1]. Таким чином посадили невеликий ровер Sojourner, а згодом за тією ж схемою успішно прибули двійники Spirit і Opportunity у 2004 році[1]. Найбільш масивні марсоходи вимагали ще складніших рішень.

Апарат Viking-1. — Апарат *Viking-1.* Автор: Mark Pelligrino. CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17299

Так, апарат Curiosity (масою ~900 кг) у 2012 році після гальмування парашутом увімкнув ракети, але сам не приземлявся – з нього спустили на тросах сам ровер у посадковій конфігурації “Sky Crane” («небесний кран»)[1]. Реалізувати такий відважний маневр вдалося вперше в історії, і він спрацював ідеально: ровер опустився колесами на марсіанський ґрунт, а ракети відлетіли і впали осторонь. За тією ж схемою був посаджений і наступний ровер Perseverance у 2021 році [1].

Посадка на Марс: приклади невдач та успіхів

Посадка на Марс не раз призводила до аварій, навіть для досвідчених агентств. За даними NASA, лише ~40% місій, що намагалися сісти на Червону планету, завершилися успіхом [2]. Перші спроби СРСР у 1960-х – початку 70-х (серія Mars) закінчилися невдало, хоча станція Mars 3 у 1971 році все ж досягла поверхні (пропрацювавши лише ~20 секунд). Американські Viking 1/2 стали першими успішними посадками в 1976, але й після них були втрати: наприклад, апарат Mars Polar Lander (NASA) розбився в 1999 році через передчасне вимкнення двигунів під час спуску. У 2016 році невдачею завершилася спроба європейського модуля Schiaparelli – через помилку в датчиках він відключив тягу і фактично впав з висоти кількох кілометрів[7].

«Селфі» апарату на Марсі, зроблене за допомогою висувної бездротової камери. Зображення: China News Service, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=129295051

Незважаючи на ризики, інженери навчилися долати марсіанські труднощі, і в XXI столітті NASA успішно реалізувала кілька складних посадок підряд (Spirit, Opportunity, Phoenix, Curiosity, InSight, Perseverance). До 2021 року США лишалися єдиною країною, якій це вдавалося[2], доки Китай не здійснив першу успішну посадку свого ровера Zhurong у рамках місії Tianwen-1[8]. Кожен такий успіх – результат врахування попередніх помилок і новаторських рішень у дизайні апаратів. Проблема тонкої атмосфери Марса поки що обмежує максимальну масу корисного навантаження (~1 тонни для ровера Perseverance). Для майбутніх місій з людьми або важкими вантажами інженерам, можливо, доведеться розробити нові підходи – наприклад, суперзвукове гальмування тягою (включення ракетних двигунів ще на гіперзвуковій швидкості) або гігантські аеродинамічні екрани.

Висновки

Таким чином, посадка на Марс є багатоаспектним викликом: розріджена атмосфера Марса не дає достатнього гальмівного ефекту, але створює теплове навантаження та аеродинамічну нестабільність; вища, ніж на Місяці, гравітація вимагає більшої швидкості й енергії гальмування. Це змушує застосовувати складні комбінації технологій – теплозахисні щити, надміцні парашути, реактивні двигуни, повітряні подушки, небесні крани – і ретельно відпрацьовувати кожен етап посадки. Успішні місії на Марс дали людству безцінний досвід подолання цих труднощів, прокладаючи шлях до майбутніх подорожей на Червону планету.