Парашюты для «космического десанта»
Как устроены парашютные системы космических кораблей и чем посадка на Марс или Венеру отличается от возвращения на Землю
Научно-исследовательский институт парашютостроения ‒ единственная структура в России, которая разрабатывает все виды парашютов. Благодаря работе института в сегменте космических парашютных систем наша страна ‒ лидер на мировом рынке.
В стенах НИИ когда-то была создана система для приземления Юрия Гагарина, а сегодня проходят испытания парашюта для перспективного космического корабля «Федерация». Системы, разработанные здесь, обеспечивали мягкую посадку и внеземным «десантникам» ‒ автоматическим посадочным зондам и планетоходам.
Как устроены «космические» парашюты и чем посадка на Марс или Венеру отличается от возвращения на Землю ‒ читайте в нашем материале.
«Дорога в космос начинается с Киржача»
Легендарный НИИ парашютостроения, который сегодня входит в состав холдинга «Технодинамика» Госкорпорации Ростех, в следующем году отметит свой 75-летний юбилей. За годы существования институтом разработано свыше 5000 видов парашютной техники и более 1000 образцов внедрено в серийное производство.
Не менее известен, чем сам институт – его летно-испытательный комплекс. Летная база на окраине города Киржач открылась на заре космонавтики – в мае 1959 года. Здесь проходили тренировки первого отряда космонавтов. «Дорога в космос начинается с Киржача», – так говорил Юрий Гагарин о летном комплексе НИИ парашютостроения. Помимо Гагарина парашютную подготовку в Киржаче проходили практически все советские космонавты: Герман Титов, Валентина Терешкова, Алексей Леонов, Павел Беляев и многие другие.
Фото: Роскосмос
Впрочем, в Киржаче тренировались перед полетом не только сами космонавты, но и космические корабли. На базе комплекса испытывались парашютные системы практически всех отечественных космических аппаратов. Специалистами НИИ парашютостроения были созданы парашюты для приземления спускаемых модулей кораблей «Восток», «Восход», «Союз», а на очереди – и перспективная «Федерация».
Системы НИИ парашютостроения обеспечивали мягкую посадку не только на Землю. Здесь были созданы парашюты для спускаемых модулей межпланетных станций «Венера», «Марс», «Зонд» и «Луна».
Мягкая посадка: от «Востока» до «Федерации»
Космическая одиссея НИИ парашютостроения началась в 1961 году, когда на орбиту отправился корабль «Восток» с первым космонавтом Земли. Возвращался Юрий Гагарин с помощью парашютной системы, созданной в институте. История этого возвращения была описана в подробностях не раз. Но почему-то многие до сих пор уверены, что Юрий Алексеевич вступил на Землю из кабины спускаемого аппарата. На самом деле он катапультировался и спустился на землю на парашюте.
Сам спускаемый аппарат «Востока» массой почти 2,5 тонны был оснащен парашютной системой, которая состояла из нескольких парашютов: вытяжного, тормозного и основного, купол которого превышал 500 кв. метров. Вытяжной предназначен для ввода купола основного парашюта, тормозной – снижает скорость спускаемого аппарата до значений, когда свою работу может начать основной купол.
Однако, помимо этого, «Восток» также имел катапультируемое кресло, в котором сидел космонавт, прямо в скафандре. И такая катапульта выполняла функцию не только средства для аварийной ситуации, но служила и для посадки. Катапультируемое кресло было снабжено двумя парашютами: основным площадью 83,5 кв. метра и запасным – с куполом в 56 кв. метров, который вводился в случае отказа основного. В то время более безопасного метода приземления еще не придумали.
Посадка спускаемого аппарата корабля «Союз МС-15». Фото: Роскосмос
С конца 1960-х годов доставлять космонавтов на орбиту стал космический корабль «Союз». Корабль нового поколения был оснащен основной и запасной парашютными системами и тормозными посадочными двигателями. Основная парашютная система также состояла из трех парашютов, купол основного из них был площадью 1000 кв. метров. Был также запасной парашют площадью 574 кв. метра.
В 2002 году в космос впервые отправился космический корабль «Союз ТМА». Парашютная система обновленного «Союза» также претерпела изменения – добавился тормозной парашют площадью 16 кв. метров в составе запасной парашютной системы. Кстати, сами парашюты изготавливались из облегченного синтетического высокопрочного материала (СВМ), который относится к арамидным волокнам. Такой материал даже после нагрева при 300 °С на протяжении 100 часов потеряет только половину своей прочности, а кратковременные температурные нагрузки на него и вовсе не влияют.
В 2016 году состоялся первый полет «Союза МС». Модернизация затронула практически каждую систему пилотируемого космического корабля, в том числе и парашютную. Эти корабли также снабжены многокаскадной парашютной системой: сначала выводится вытяжной, затем тормозной, а после основной парашют. Запасной парашют площадью 590 кв. метров срабатывает в случае выхода из строя основного.
Парашютные системы НИИ парашютостроения, созданные для космической отрасли, работают безотказно уже на протяжении десятилетий. Последнее наглядное подтверждение – посадка спускаемого аппарата корабля «Союз МС-15», которая состоялась 17 апреля 2020 года. Посадочная парашютная система производства института успешно приземлила спускаемый аппарат с российским космонавтом Олегом Скрипочкой и американскими астронавтами Эндрю Морганом и Джессикой Меир.
Деятельность по развитию космических парашютов в институте не приостанавливается. Сейчас здесь ведутся работы по парашютной системе для перспективного космического корабля «Федерация», который должен прийти на смену «Союзам». Новинка еще не имеет своего окончательного имени (ранее заявлялось, что в серийном производстве корабль может получить название «Орел»), но парашютная система для корабля уже проходит испытания.
Приземляться спускаемый аппарат «Федерации» будет с помощью трех парашютов и реактивной системы мягкой посадки. Основной трехкупольный парашют будет иметь площадь более 3,6 тыс. кв. метров. Такой гигант способен обеспечить мягкую посадку аппарату массой до 9 тонн с высоты несколько километров (по проекту парашютная система «Федерации» выводится на высоте 4,5 тыс. метров).
Одно из преимуществ по сравнению с «Союзом» – амортизированные опоры для посадки, которые исключат падение спускаемого аппарата на бок после касания грунта. Кроме того, новая система посадки обеспечивает приземление в зоне с радиусом 5 км – высокая точность для подобных систем.
Испытания парашютной системы корабля «Федерация»
Впервые парашютная система, создаваемая для перспективной «Федерации», была продемонстрирована в июле 2018 года. Испытательный сброс состоялся в Киржаче в рамках открытия новой производственной линии НИИ парашютостроения. На данный момент система продолжает испытания, впереди еще десятки сбросов с высоты несколько тысяч метров. Впрочем, время у разработчиков есть. Как сообщалось ранее в материалах РКК «Энергия», космический корабль «Федерация» впервые отправится к МКС в пилотируемом режиме только в сентябре 2025 года.
В перспективе, новый космический корабль будет доставлять своих пассажиров даже к Луне. В январе этого года первый замглавы Роскосмоса Юрий Урличич на Академических чтениях по космонавтике памяти С.П. Королева сообщил, что беспилотный облет Луны планируется на 2028 год, а пилотируемый – в 2029 году.
Неземные купола: парашюты не для приземления
С самого начала космической эры в НИИ парашютостроения изучались возможности посадки космических аппаратов не только на Землю, но и на другие планеты и их спутники. Парашютные системы для примарсения или прилунения серьезно отличаются от тех, которые используются для приземления – привычные нам законы земной физики здесь не работают.
К примеру, на Земле плотность атмосферы позволяет снизить скорость с помощью купола с нескольких десятков метров до нескольких метров в секунду. Например, спускаемый аппарат «Союза» на высоте примерно 10 км имеет скорость снижения 240 м/с. Тормозной парашют аппарата приостанавливает его до 90 м/с, а затем раскрывается основной парашют. На последних метрах посадки спускаемый аппарат уже движется к земле со скоростью 9 м/с – почти как десантник, скорость которого составляет около 5 м/с. Конечно, эти скоростные показатели все еще экстремальны. Именно поэтому парашютистов учат принимать правильную позу при приближении к земле, а спускаемый аппарат «Союза» использует специальные тормозные двигатели. Но все же скорости и десантника, и «Союза», – дозвуковые.
В отсутствие земной атмосферы, например на других планетах, парашютам приходится раскрываться на огромных, сверхзвуковых скоростях. Поэтому для замедления в чужеродной атмосфере нужны совсем другие конструкции. И даже по своему внешнему виду такие парашюты отличаются от своих земных собратьев. Традиционный купол парашюта когда-то был придуман неслучайно – эта форма обеспечивает наилучшее сопротивление при минимальной площади. Сверхзвук полностью меняет характер обтекания движущегося в воздухе тела. Уже по итогам первых испытаний специалисты поняли – нужно экспериментировать с формой.
Марсианские хроники: первая посадка на Красной планете
В НИИ парашютостроения были разработаны парашютные системы для посадки спускаемых модулей межпланетных станций «Венера», «Марс», «Зонд» и «Луна». Но так исторически сложилось, что именно Марс стал самой частой ареной для сверхзвукового космического парашюта.
В конце 1960-х – начале 1970-х началась настоящая гонка по завоеванию лидерства в исследованиях Марса. В СССР был разработан проект М-71, который предусматривал запуск в 1971 году трех космических аппаратов к Красной планете. Впрочем, стоит напомнить, что еще в 1962 году был разработан «Марс-1» – первый в истории космический аппарат, выведенный на траекторию полета к Марсу. Но основные события в марсианской одиссее произошли примерно десять лет спустя.
В мае 1971 года советский спускаемый аппарат «Марс-2» достиг поверхности Красной планеты. Это была официально первая в мире попытка посадки спускаемого аппарата на Марс, но, к сожалению, неудачная. В декабре того же года с этой миссией справился «Марс-3» – первая в мире мягкая посадка спускаемого аппарата на Марс и единственная в советской космонавтике наконец-то состоялась.
Итак, 2 декабря 1971 года спускаемый аппарат «Марс-3» вошел в атмосферу Красной планеты со скоростью около 5,8 км/с. Еще на сверхзвуковой скорости полета был введен вытяжной парашют, а затем был выпущен основной парашют с зарифленным куполом. Когда аппарат затормозился до околозвуковой скорости, произошла разрифовка, то есть купол основного парашюта полностью раскрылся. Буквально в течение нескольких минут скорость движения снизилась примерно до 60 м/с. На высоте 20-30 метров сработал тормозной двигатель мягкой посадки. На последнем этапе посадки аппарат защитил амортизатор – толстое пенопластовое покрытие. Так на Марсе, на дне крупного кратера Птолемей, совершил мягкую посадку первый космический аппарат. Спустя 1,5 минуты началась передача данных, но прервалась через 15 секунд. Причиной стала бушевавшая тогда глобальная марсианская пылевая буря.
Станции «Марс-2» и «Марс-3» рассказали много нового о Красной планете: определили температуру поверхностного слоя, характер поверхностных пород и плотность грунта, а также сообщили о том, что содержание водяного пара в атмосфере Марса в пять тысяч раз меньше, чем на Земле. Но самое главное – эта миссия наглядно доказала, что мягкая посадка на Марс является выполнимой задачей. При разработке парашютной системы были решены сложные для того времени научно-технические проблемы. Парашют справился с огромной скоростью в 3,5 М, то есть в три с половиной раза превышающей скорость звука, с разреженной марсианской атмосферой и ее сильными ветрами. Аналогов подобной парашютной системы тогда в мире не существовало.
Современные технологии сегодня могут предложить множество других решений для третьего, финального этапа примарсения. К примеру, аппараты могут тормозиться сбрасываемыми двигателями или садиться в надувных шарах-амортизаторах, как американские марсоходы Spirit и Opportunity. Но сверхзвуковые парашюты по-прежнему остаются ключевым этапом посадки. И даже если Илону Маску удастся успешно посадить корабль Starship с торможением на двигателях, беспилотные аппараты еще долго будут использовать проверенную временем технологию посадки – сверхзвуковой парашют, а затем торможение двигателями на небольшой скорости.