Erdvėlaivių tupdymas

Apollo, Falcon, Mariner, Opportunity, Viking, Spirit – erdvėlaivių tupdymo subtilumai

Teorija

Minint pirmojo žmonių tūpimo Mėnulyje 48-sias metines, pravartu panagrinėti kosminio transporto priemonių tupdymo problemas. Pirmiausiai jos iškilo ankstyviesiems (1957-63 m.) erdvėlaiviams grįžtant iš kosmoso į Žemę:
– Perkaitimas nuo trinties atmosferoje (net iki 2000 K);
– Inercinės perkrovos nuo staigaus greičio mažėjimo (iki 8g, lėtėjant nuo 7 km/s greičio).

Teoriškai tūpti ar tupdyti (nuleisti) erdvėlaivį galima keliais būdais:
– balistiniu, kai lėkdamas iš inercijos erdvėlaivis lėtėja nuo aerodinaminių ir trinties į supančią terpę jėgų; šis nusileidimo būdas naudojamas rečiausiai, mat yra nevaldomas;
– sklandiniu, kai stabdančios aerodinaminės jėgos sukuriamos bloginant aptakumą;
– parašiutiniu, kai stabdymas vyksta atmosferoje išskleidžiant parašiutus;
– varytuviniu, kai tūta nukreipiama į priekį, ir erdvėlaivį stabdo reaktyvinė jėga.

Tupiant į kitus kosminius paviršius – mėnulių, kometų, asteroidų, kur nėra atmosferos, – stabdyti įmanoma tik reaktyviniais varytuvais, mažinti greitį kuo arčiau nulio ir „minkštai“ tupdyti ant išskleidžiamų atramų su amortizatoriais.

Apollo ir Mėnulis

1966-68 m. NASA vykdė pasiruošimo nusileisti į Mėnulį programą Surveyor, tuomet ant paviršiaus nutupė 5, o besileisdami sudužo 2 tūpikliai. Vieną iš jų Surveyor 3, 1969 metais Apollo 12 ekipažo nariai apžiūrėjo ir tyrinėjo.

     Surveyor 3 apžiūrinėja Apollo 12 vadas Charles Conrad

Tupdomąjį Mėnulio modulį sudarė dvi dalys – nusileidimo (Descent Stage 10,465 t ir 8,355 t kuro) ir pakilimo (Ascent Stage 4,774 t ir 2,615 t kuro). Priartėjus per 30 m nuo paviršiaus, kildavo dulkių debesys (dujų srauto iš tūtos poveikis) ir blogindavo matomumą. Lietimo momentu greitis buvo 0,5-2 m/s (vertikalus) ir 0,4-0,6 m/s (horizontalus), atraminių padų slėgis į Mėnulio paviršių neviršijo 11,3 kPa, o penetracija (įsigilinimas į gruntą) – 8 cm (tik Apollo 14 atveju 15 cm).

Apollo 16 Mėnulio modulisAscent stage – pakilimo dalisDescent stage – nusileidimo dalis

Apollo 17 misijos pabaiga: abi dalys atsiskiria

Mars nusileidimai

Į Marsą pirmieji sovietų erdvėlaiviai buvo tupdomi 1970-siais. Bene sėkmingiausias buvo Mars-3, 1971 m. tupdęs ir važiuoklį parašiutu bei miniraketomis, bet po 14,5 s nutrūko ryšys, tad duomenų negauta.

Sovietų erdvėlaivis Mars 3

ir pirmasis Marso paviršiaus vaizdas neperduotas….

viršuje – 1971 metų Sovietų mėginimas perduoti Marso paviršiaus vaizdą, apačioje 1976 m. Viking-1 perduotas Marso paviršiaus vaizdas

Opportunity, Viking, Spirit sekmė

1976 m. amerikiečių Viking-1 bei Viking-2 sėkmingai nutupdė savo 600 kg tyriklius, veikusius iki 1980 m. ir atsiuntusius pirmuosius duomenis apie Marso atmosferą, gruntus, bet gyvybės pėdsakų neaptiko.

Viking-1 ir Viking-2 pradėjo sėkmingus Marso paviršiaus tyrimus

Po to sėkmingai tupdyti pirmasis važiuoklis Sojourner, antrieji – Spirit ir Opportunity, o 2012 m. – moderniausias Curiosity. Jis pasiekė Marso atmosferą 5,8 km/s greičiu, kur aerodinaminis gaubtas ir izoliacinis skydas įkaito iki 2090° C, o greitis sumažėjo iki 0,47 km/s. Likus 7 km iki paviršiaus išsiskleidė o16 m skersmens parašiutas, atsiskyrė skydas bei įsijungė 8 stabdymo varytuviukai, sulėtinę visą tyriklį iki 0,83 m/s. Galiausiai nuleistuvas kabantį ant 3 lynų Curiosity „minkštai“ nutupdė numatyton vietovėn.

Sojourner tuoj prieš pradedant važiuoti Marso paviršiumi

Spirit ir…

Opportunity tūpikliai Curiosity asmenukės 2012 ir 2015 metais iš Marso paviršiaus

2016 metais ExoMars/TGO (Trace Gas Orbiter) tyriklis 600 kg Schiaparelli atsiskyrė 122,5 km aukštyje ir lėtino greitį nuo 5,76 km/s, kol likus 11 km iki paviršiaus išskleidė o12 m parašiutą, o 7 km aukštyje atmetė skydą. Nuo 1300 m iki 2 m stabdė atbulais varytuviukais, bet dar nepasiekęs paviršiaus prarado ryšį.

Po 34 sekundžių laisvo kritimo, 37 sekundėmis anksčiau, nei tikėtasi, Schiaparelli tyriklis maždaug 540 km/h greičiu rėžiasi į Marso paviršių

Bendras Europos Kosminės Agentūros ir Jungtinės karalystės kūrinys – tyriklis Beagle 2 – Marso paviršiaus sėkmingai nepasiekė

Venera ir Sovietų Sąjungos sėkmė

Į Venerą nuo 1961 metų pradėti leisti įvairūs erdvėlaiviai, tyrikliai, tūpikliai, jų buvo paleista 43. Tiek Sovietų Sąjunga, tiek JAV mėgino tyrinėti Veneros atmosferą ir paviršių. Vieną erdvėlaivį – Venus Express – paleido Europos Kosminė Agentūra, tris – Shine’n, IKAROS, Akatsuki – Japonijos kosminė agentūra JAXA. Į Veneros paviršių tūpiklius sėkmingai sugebėjo nuskraidinti tik Sovietų Sąjunga.

Į Veneros paviršių nutūpė ir duomenis perdavė tik 9 Sovietų Sąjungos tūpikliai

Venera 9 tūpikio temperatūros ir slėgio davikliai, akselerometras, regimos ir infraraudonos šviesos fotometras bei kiti prietaisai paviršiuje veikė 53 minutes ir siuntė duomenis į Žemę.

Venera 9 tūpiklis

Pirmieji nežemiško paviršaus vaizdai iš tūpiklio Venera-9

Venera 10 tūpiklio priekinės ir galinės kamerų perduoti vaizdai

Venera-11 1978 metų gruodžio 25 dieną įskriejo į Veneros atmosferą 11,2 km/s greičiu, atliko 35 sekundžių trukmės aerodinaminį stabdymą. Nusileidimas atmosferoje iki paviršiaus truko 62 minutes 41 sekundę. Informacijos perdavimas iš 750 kg masės tūpiklio į apie Venerą skriejantį erdvėlaivį vyko 95 minutes.

Venera 11 ir Venera 12 tūpikliai buvo praktiškai identiški, tik Venera 12 paviršiuje išgyveno 127 minutes, 32 minutėmis ilgiau nei Venera 11 tūpiklis

Venera 13 ir Venera 14 tūpikliai

Venera 13 tūpiklio kamerų perduotas paviršiaus vaizdas

Venera 13 tūpiklio perduoti paviršiaus vaizdai

Būtent Venera 13 tūpiklis ilgiausiai dirbo rūsčiame planetos paviršiuje – atmosferos slėgis 100 atmosferų, oro temperatūra paviršiuje 400° C, žaibavimo dažnis iki 30 kartų per sekundę ir lyja sieros rūgšties lietus – 127 minutes.

Titano lankymas

Tolimiausias (1,43 Tm nuo Žemės) buvo 319 kg Huygens tupdymas į Saturno mėnulį Titaną 2005 m. Atsiskyręs nuo Cassini 1270 km nuotolyje iki Titano paviršiaus, jis gravitaciškai artėjo ir pradėjo tūpimą 10 km aukštyje, 2,5 valandų lėtinamas parašiuto ir pirotechninių stabdiklių nuolat perdavinėjo 10 W siųstuvu vaizdus iš 16 bei 8 km aukščio, matavo atmosferos ir vėjų parametrus. Nutūpęs nelabai tankiame paviršiuje užfiksavo 93 K šaltį bei 146,7 kPa slėgį. Dar apie 30 min siuntė savo 6 prietaisų duomenis (argono-40 izotopą, metano „drėgnį“, azoto ir anglies junginius), kol jie atšalo. Saulė matėsi kaip šviesus skrituliukas bent 10 kartų mažesnis nei iš Žemės.

Huygens tyriklis pirmą kartą perdavė kitos planetos palydovo paviršiaus vaizdą

Philae taikosi nutūpti

2014 m. vykdytas pirmasis tūpimas ant kometos 483 Gm tolumoje nuo Žemės. Tyriklis Philae (Filas, 0,1 t masės) spyruokliniu įtaisu atsiskyrė nuo Rosetta (Rozeta, 3 t), kai iki Čuriumov ir Gerasimenko kometos (10 mlrd t) liko 22,5 km, ir 1,8 m/s greičiu pradėjo artėti link jos paviršiaus. Tūpimas vyko automatiškai, nes valdymo komandos pasiektų tik po 30 minučių, ir truko apie 7 valandas. Kometos paviršių Philae pasiekė maždaug 1 m/s greičiu, tad smūgio energiją sugėrė trijų atramų įtaisas, sąveikaudamas su varytuviuku. Deja, nesuveikė švartavimo harpūnai, ir tyriklis bent du kartus šoktelėjo (iki 1 km nuo kometos), kol įstrigo tarp nelygumų. Ryšį su Rosetta palaikė dar apie 90 minučių.

Philae tyriklis

SpaceX po kelių nesėkmių 2016 metais pavyko nutupdyti startūno I-ją pakopą ant plūdrios platformos ASDS (Autonomous Spaceport Drone Ship – autonomiško nepilotuojamo kosminio uosto). Viena jų – Marmac 304 – 90×50 m deniu ir 6 m aukščio bortu iš Luizianos laivų statyklos nuplukdyta į Jacksonville uostą ir turi 4×220 kW reguliuojamus varytuvus platformai nulaikyti vietoje (nuo vėjų ir srovių). Startūno Falcon pakopa iš 67-72 km aukščio lėtinama 7-9 minutes periodiškai įjungiamais 3 varytuvais nuo 2,3 km/s greičio iki „minkštai“ nutupdoma ant denio, atsiremdama 4 išskleidžiamomis „kojomis“.

Mariner sekmė

Merkurijaus planetos tyriklis 1,15 t Messenger (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging) išvengė tupdymo, nuo 2011 kovo 18 d. apskriejo 4105 kartus, priartėdamas per 5-35 km, surinko įvairiausių duomenų apie aplinką ir magnetinius laukus bei 2015 m. balandžio 30 d. planuotai 3,9 km/s greičiu trenkėsi į paviršių, palikdamas ženklų kraterį.

Merkurijaus paviršiaus darinio Caloris mozaika perduota Messenger tyriklio

Kinų astronautai bando tūpimo Mėnulin agregatą, panaudodami Apollo patirtį ir orientuodamiesi į būsimo erdvėlaivio 20-25 t masę bei didindami 4 „kojų“ mostą iki 12 m. Dar sudėtingesnį agregatą su parašiutų ir „pagalvių“ sistemą ruošia tūpimui Marse.

Vieno erdvėlaivio priartėjimas ir švartavimas prie kito ar kosminės stoties vykdomas automatiniu arba rankiniu būdais.

Pirmąjį kartą Gemini-8 (astronautai N. Armstrong ir D. Scott) švartavosi prie raketos pakopos 1966 m., o pirmasis automatinis jungimasis įvyko metais vėliau. Erdvėlaivis Kosmos-186 orbitavo aplink Žemę 209-235 km nuotoliu, o Kosmos-188 buvo paleistas į 200-276 km orbitą taip, kad atsidūrė gan arti už 24 km ir pradėjo artėti 20 m/s greičiu. Likus 300 m greitį sumažino iki 0,5 m/s, ir abu erdvėlaiviai susijungė 276 km aukštyje.

Artėjimo metu erdvėlaivio judėjimas paprastai reguliuojamas pagrindiniu varytuvu, gi orientavimas – 6 arba 12 varytuviukų, teikiant pagreičius išilgai ir šoninėmis kryptimis. Priartėjus erdvėlaivių greičiai (apie 8 km/s) vienodinami pagal vizavimo liniją, matuojant radiolokacine ar optine aparatūra ne tik greičius, bet ir nuotolius, kryptis bei padėtis. Jungties agregatai turi specialius elementus mechaniniam sukibimui, pristūmimo į tvirtą kontaktą įtaisą ir surakinimo spyną sandarumui užtikrinti.