Гравітація на Місяці майже у шість разів менша, ніж на Землі. Тобто людина вагою 100 кг на Землі на Місяці важитиме трохи більше 20 кг. Інтуїтивно здається, що посадити на поверхню Місяця космічний апарат має бути легше. Але цього року два космічні апарати перекосилися на поверхні Місяця. Через слабшу гравітацію на Місяці перекинутися та впасти легше, ніж ви можете собі уявити.
У грудні роботизований посадковий апарат Odysseus став першим американським космічним кораблем, який торкнувся Місяця за понад 50 років, але він перекинувся. Це обмежувало обсяг наукових досліджень, які він міг робити на поверхні Місяця, оскільки його антени та сонячні панелі були спрямовані не в правильному напрямку.
Буквально за місяць до цього інший космічний корабель, Smart Lander for Investigating Moon або SLIM, надісланий Японським космічним агентством, також перекинувся під час посадки, опинившись на голові.
Чому відбувається епідемія падіння космічних кораблів на Місяці? Невже там так важко приземлитися вертикально?
В інтернеті та інших місцях ентузіасти вказували на висоту посадкового модуля «Одіссей» — 3 метри від нижньої частини посадочних ніг до сонячних батарей у верхній частині — як фактор, що сприяв його нерівному приземленню.
Чи Intuitive Machines, виробник Одіссея, зробив очевидну помилку, побудувавши космічний корабель таким чином?
Представники компанії надають інженерне обґрунтування високого худорлявого дизайну, але ці інтернет-коментатори мають рацію.
Щось високе впаде легше, ніж низький і присадкуватий предмет. А на Місяці, де сила тяжіння лише на одну шосту менша, ніж на Землі, схильність до перекидання ще більша.
Це не нове усвідомлення. Півстоліття тому астронавти Аполлона самі стрибали на Місяці, а іноді й падали на його поверхню.
Минулого тижня на веб-сайті соціальних мереж X (Twitter) Філіп Мецгер, колишній інженер NASA, який зараз працює планетологом в Університеті Центральної Флориди, пояснив математику та фізику того, чому важче залишатися на Місяці вертикально.
«Я справді пройшов розрахунки, і це справді страшно, — сказав доктор Мецгер. – Бічний рух, який може перехилити посадковий модуль такого розміру, становить лише кілька метрів на секунду в умовах місячної гравітації».
У цьому питанні стабільності є дві частини. По-перше, це статична стійкість. Якщо щось стоїть під великим кутом, воно впаде, якщо центр ваги знаходиться поза межами опорних ніг.
Тут виявляється, що максимальний кут нахилу на Землі такий самий, як і на Місяці. Це було б однаково в будь-якому світі, великому чи малому, тому що гравітація скасовується з рівняння.
Однак відповідь змінюється, якщо космічний корабель все ще рухається. Одіссей повинен був приземлитися вертикально з нульовою горизонтальною швидкістю, але через проблеми з навігаційною системою він все ще рухався вбік, коли врізався в землю.
«Інтуїція, заснована на досвіду з Землі, тепер є проблемою», – сказав доктор Мецгер.
Він навів приклад спроби штовхнути холодильник на вашій кухні. «Він такий важкий, що легкий поштовх його не перекине», — сказав доктор Мецгер.
Але ви замініть його шматком пінополістиролу у формі холодильника, імітуючи вагу холодильника в умовах місячної гравітації. «Тоді дуже легкий поштовх зрушить його», – сказав доктор Мецгер.
Розрахунки доктора Метцгера показали, що для такого космічного корабля, як «Одіссей», посадкові ноги повинні бути розведені приблизно в два з половиною рази ширше на Місяці, ніж на Землі, щоб протидіяти такій самій кількості бічних рухів.
Якби, наприклад, два метри завширшки було достатньо для приземлення на Землю з максимальною горизонтальною швидкістю, то ноги мали б бути на відстані три метри одна від одної, щоб не перехилитися на Місяць з такою ж швидкістю руху на бік.
Для простоти конструкції посадочні ноги Одіссея не складалися, а діаметр ракети SpaceX Falcon 9, яка підняла його в космос, обмежував ширину посадочних ніг.
«Отже, на Місяці вам потрібно спроектувати так, щоб бокові швидкості були дуже низькими під час приземлення, набагато нижчими, ніж у разі посадки транспортного засобу в умовах гравітації Землі», — написав доктор Мецгер.
Стів Альтемус, виконавчий директор Intuitive Machines, відповів, що велика висота була пов’язана з резервуарами, які містять рідкий метан і рідкий кисень космічного корабля.
Кисень важить вдвічі більше, ніж метан, тому, якби кисневий баллон розмістили поруч з метантенком, посадковий модуль був би розбалансований. Натомість два баки були поставлені один на одного.
«Це створило висоту», – сказав Альтемус.
Тестовий посадковий апарат під назвою «Морфей» також використовував паливо метан і кисень, але баки були налаштовані попарно, щоб утримувати вагу в рівновазі. Він ніколи не мав на меті літати в космос.
Конструкція також спрацювала б для посадкового модуля Intuitive Machines, але зробила б космічний корабель важчим і складнішим.
Якби космічному кораблю були потрібні два метанових і два кисневих бака, конструкція космічного корабля мала б бути більшою і важчою. Баки теж були б важчими. Більше площі поверхні, тож це більше поверхні для ізоляції. Також знадобилося б більше труб та більше клапанів, більше речей, які підуть не так.
Для місця посадки в районі південного полюса висота Одіссея була ще однією перевагою. У нижній частині Місяця сонячне світло світить під низькими кутами, утворюючи довгі тіні. Якби Одіссей залишався у вертикальному положенні, сонячні батареї у верхній частині космічного корабля довше залишалися б поза тінню, генеруючи більше енергії для корабля.
Під час візиту до Intuitive Machines Тім Крейн, головний технічний директор компанії, сказав, що космічний корабель був розроблений таким чином, щоб залишатися вертикальним під час посадки навіть на схилі 10 градусів або більше. Навігаційне програмне забезпечення було запрограмовано на пошук місця, де нахил становив п’ять градусів або менше.
Оскільки лазерні інструменти для вимірювання висоти на Одіссеї не працювали під час спуску, корабель приземлився швидше, ніж планувалося, на 12-градусному схилі. Це перевищило його проектні межі. Одіссей скользнув по поверхні, зламав одну з шести ніг і перекинувся на бік.
Якби лазерні інструменти працювали, «ми б зафіксували посадку», — сказав Альтемус.
Такі ж побоювання стосуватимуться величезного корабля SpaceX Starship, який доставить двох астронавтів NASA на поверхню Місяця вже у 2026 році.
Starship заввишки з 16-поверховий будинок повинен буде спускатися ідеально вертикально і уникати значних нахилів. Але це повинні бути вирішувані інженерні завдання, сказав доктор Мецгер.
За матеріалами: NY Times
