Российские ученые разгадали секрет стабильных полетов у поверхности Марса

Российские исследователи раскрыли аэродинамический эффект, который действует в разреженной атмосфере Марса. Оказалось, что близость к поверхности планеты стабилизирует летательные аппараты, что открывает новые возможности для посадки миссий и создания исследовательских дронов.

Разреженный воздух Марса неожиданно помогает стабилизировать аппараты при посадке. Это же свойство позволит создать дроны с машущими крыльями для исследований. Более научный, но упрощенный вариант

Источник: https://commons.wikimedia.org/

Коллектив ученых из МГУ имени М.В. Ломоносова, Института системного анализа РАН и МФТИ провел исследование, которое меняет представления о полетах в атмосфере Красной планеты. С помощью сложного численного моделирования они изучили аэродинамические процессы, происходящие на крайне низких числах Рейнольдса, характерных для разреженного марсианского воздуха. Результаты работы имеют ключевое значение для будущих миссий.

Главным открытием стало понимание природы так называемого экранного эффекта у поверхности Марса. Если на Земле этот эффект создается за счет роста давления и формирования воздушной подушки, то в тонкой марсианской атмосфере доминируют силы вязкого трения. Это кардинально меняет картину.

Экранный эффект в действии: сопротивление среды при приближении к поверхности. Слева (a) показано, как опускающаяся пластина вытесняет разреженный газ, создавая потоки, направленные в стороны и вверх. Справа (b) график демонстрирует, что при уменьшении расстояния до поверхности (ось h) сила сопротивления (ось Fz) резко возрастает, стремясь остановить движение пластины

Источник: Acta Astronautica

Моделирование показало, что центр давления — точка приложения результирующей аэродинамической силы — смещается не к передней, а к задней кромке крыла. Это смещение создает стабилизирующий момент, который автоматически гасит колебания и уменьшает угол атаки, помогая аппарату выровняться.

Наши исследования показали, что в разреженной атмосфере поверхность планеты создает уникальный стабилизирующий эффект, условно «направляя» аппарат при посадке. Смещение центра аэродинамических сил назад генерирует естественный момент, который автоматически уменьшает угол атаки, опуская нос корабля. Данный саморегулирующийся механизм способствует демпфированию колебаний и повышает безопасность приземления. Это ключевая особенность, которую необходимо закладывать в конструкцию всех аппаратов, предназначенных для работы вблизи марсианской поверхности.

Александр Шамин

асcистент кафедры высшей математики МФТИ

Вторая часть исследования была посвящена практическому применению открытия — концепции марсианского летательного аппарата с машущими крыльями. Ученые смоделировали систему из двух соединенных пластин и доказали, что такой принцип движения в марсианских условиях не просто возможен, но и высокоэффективен.

Моделирование самодвижения машущего крыла. Слева (а) показана численная модель движителя, состоящая из двух соединенных пластин, имитирующих машущий полет. Справа (b) — график зависимости набранной скорости (V(t)) от времени для аппаратов с различной безразмерной массой (m). График демонстрирует сильную зависимость динамики полета от массы аппарата

Источник: Acta Astronautica

Анализ выявил, что для достижения максимальной скорости мах должен совершаться с постоянной угловой скоростью, а не с постоянным ускорением, что дает инженерам четкую подсказку для проектирования систем управления.

Полученные данные помогут создавать более надежные системы мягкой посадки для тяжелых посадочных модулей, а также легких и маневренных дронов-разведчиков. Такие аппараты, использующие принцип машущего полета, смогут изучать самые труднодоступные районы планеты, включая каньоны, пещеры и крутые склоны, куда невозможно добраться роверам.

Ранее Наука Mail рассказывала, что США надеются отправить первого астронавта на Марс в начале 2030-х годов.