Гравитация на Луне почти в шесть раз меньше, чем на Земле. То есть человек весом 100 кг на Земле на Луне весит чуть больше 20 кг. Интуитивно кажется, что посадить на поверхность Луны космический аппарат должен быть легче. Но в этом году два космических аппарата перекосились на поверхности Луны. Из-за слабой гравитации на Луне опрокинуться и упасть легче, чем вы можете себе представить.
В декабре роботизированный посадочный аппарат Odysseus стал первым американским космическим кораблем, который затронул Луну более чем за 50 лет, но он перевернулся. Это ограничивало объем научных исследований, которые он мог делать на поверхности Луны, поскольку антенны и солнечные панели были направлены не в правильном направлении.
Буквально за месяц до этого другой космический корабль, Smart Lander for Investigating Moon или SLIM, отправленный Японским космическим агентством, также опрокинулся во время посадки, оказавшись на голове.
Почему происходит эпидемия падения космических кораблей на Луне? Неужели там так тяжело приземлиться вертикально?
В интернете и других местах энтузиасты указывали на высоту посадочного модуля «Одиссей» – 3 метра от нижней части посадочных ног до солнечных батарей в верхней части – как фактор, способствовавший его неровному приземлению.
Или Intuitive Machines, производитель Одиссея, совершил очевидную ошибку, построив космический корабль таким образом?
Представители компании предоставляют инженерное обоснование высокого худощавого дизайна, но эти интернет-комментаторы правы.
Что-то высокое упадет легче, чем низкий и приземистый предмет. А на Луне, где сила тяготения всего на одну шестую меньше, чем на Земле, склонность к опрокидыванию еще больше.
Это не новое осознание. Полвека назад астронавты Аполлона сами прыгали на Луне, а иногда и падали на его поверхность.
На прошлой неделе на сайте социальных сетей X (Twitter) Филипп Мецгер, бывший инженер NASA, который сейчас работает планетологом в Университете Центральной Флориды, объяснил математику и физику того, почему труднее оставаться на Луне вертикально.
«Я действительно прошел расчеты, и это действительно страшно, – сказал доктор Мецгер. — Боковое движение, которое может предотвратить посадочный модуль такого размера, составляет всего несколько метров в секунду в условиях лунной гравитации».
В этом вопросе стабильности есть две части. Во-первых, это статическая стойкость. Если что-то стоит под большим углом, оно упадет, если центр тяжести находится вне опорных ног.
Здесь оказывается, что максимальный угол наклона на Земле такой же, как и на Луне. Это было бы одинаково в любом мире, большом или малом, потому что гравитация упраздняется из уравнения.
Однако ответ меняется, если космический корабль все еще двигается. Одиссей должен был приземлиться вертикально с нулевой горизонтальной скоростью, но из-за проблем с навигационной системой он все еще двигался в сторону, когда врезался в землю.
«Интуиция, основанная на опыте с Земли, теперь является проблемой», — сказал доктор Мецгер.
Он привел пример попытки толкнуть холодильник на вашей кухне. «Он так тяжел, что легкий толчок его не опрокинет», — сказал доктор Мецгер.
Но вы замените его куском пенополистирола в форме холодильника, имитируя вес холодильника в условиях лунной гравитации. «Тогда очень легкий толчок сдвинет его», — сказал доктор Мецгер.
Расчеты доктора Метцгера показали, что для такого космического корабля, как Одиссей, посадочные ноги должны быть разведены примерно в два с половиной раза шире на Луне, чем на Земле, чтобы противодействовать такому же количеству боковых движений.
Если бы, например, два метра в ширину было достаточно для приземления на Землю с максимальной горизонтальной скоростью, то ноги должны быть на расстоянии три метра друг от друга, чтобы не переклониться на Луну с такой же скоростью движения на бок.
Для простоты конструкции посадочные ноги Одиссея не складывались, а диаметр ракеты SpaceX Falcon 9, поднявшей его в космос, ограничивал ширину посадочных ног.
«Следовательно, на Луне вам нужно спроектировать так, чтобы боковые скорости были очень низкими во время приземления, намного ниже, чем в случае посадки транспортного средства в условиях гравитации Земли», — написал доктор Мецгер.
Стив Альтемус, исполнительный директор Intuitive Machines, ответил, что большая высота была связана с резервуарами, содержащими жидкий метан и жидкий кислород космического корабля.
Кислород весит вдвое больше, чем метан, поэтому если бы кислородный баллон разместили рядом с метантенком, посадочный модуль был бы разбалансирован. Два бака были поставлены друг на друга.
«Это создало высоту», — сказал Альтемус.
Тестовый посадочный аппарат под названием Морфей также использовал топливо метан и кислород, но баки были настроены попарно, чтобы удерживать вес в равновесии. Он никогда не преследовал цель летать в космос.
Конструкция также сработала бы для посадочного модуля Intuitive Machines, но сделала бы космический корабль более тяжелым и более сложным.
Если бы космическому кораблю требовались два метановых и два кислородных бака, конструкция космического корабля должна быть больше и тяжелее. Баки тоже были бы тяжелее. Больше площади поверхности, и это больше поверхности для изоляции. Также понадобилось бы больше труб и больше клапанов, больше вещей, которые пойдут неверно.
Для места посадки в районе южного полюса высота Одиссея была еще одним преимуществом. В нижней части Луны солнечный свет светит под низкими углами, образуя длинные тени. Если бы Одиссей оставался в вертикальном положении, солнечные батареи в верхней части космического корабля дольше оставались бы за тенью, генерируя больше энергии для корабля.
Во время визита в Intuitive Machines Тим Крэйн, главный технический директор компании, сказал, что космический корабль был разработан таким образом, чтобы оставаться вертикальным при посадке даже на склоне 10 градусов или больше. Навигационное программное обеспечение было запрограммировано на поиск места, где наклон составлял пять градусов или меньше.
Поскольку лазерные инструменты для измерения высоты на Одиссее не работали при спуске, корабль приземлился быстрее, чем планировалось, на 12-градусном склоне. Это превысило его проектные пределы. Одиссей скользнул по поверхности, сломал одну из шести ног и опрокинулся на бок.
Если бы лазерные инструменты работали, мы бы зафиксировали посадку, — сказал Альтемус.
Такие же опасения будут касаться огромного корабля SpaceX Starship, который доставит двух астронавтов NASA на поверхность Луны уже в 2026 году.
Starship высотой с 16-этажный дом должен будет спускаться идеально вертикально и избегать значительных наклонов. Но это должны решаться инженерные задачи, сказал доктор Мецгер.
По материалам: NY Times
