Коллектив исследователей из МГУ им. М.В. Ломоносова, Института системного анализа РАН и МФТИ провел детальное численное моделирование, раскрывающее уникальные аэродинамические эффекты при полетах в разреженной атмосфере Марса. Оказалось, что при посадке летательного аппарата вязкость тонкого марсианского воздуха создает неожиданный стабилизирующий момент, что также позволит реализовать машущий полет исследовательских дронов. Результаты работы опубликованы в журнале Acta Astronautica при поддержке гранта РНФ номер 24-71-10026.
Полеты на Красной планете — это вызов для инженеров. Атмосфера Марса почти в сто раз менее плотная, чем земная, что кардинально меняет законы аэродинамики. Движение в такой среде происходит при так называемых низких числах Рейнольдса, когда силы инерции уступают силам вязкости. Это означает, что все интуитивные представления о полете, основанные на земном опыте, требуют пересмотра. Особенно критичным становится понимание динамики вблизи поверхности — на финальном этапе посадки, когда любая нестабильность может привести к катастрофе.
Чтобы пролить свет на эти сложные процессы, ученые поставили перед собой две цели: во-первых, детально изучить, как близость к поверхности влияет на силы, действующие на тонкое крыло, а во-вторых, оценить, можно ли в таких условиях создать эффективный двигатель по принципу машущего крыла насекомого. Для этого они использовали сложный численный метод, основанный на решении сингулярных интегральных уравнений, который позволил с высокой точностью промоделировать движение тонкой пластины в разреженном газе.
Результаты моделирования преподнесли сюрприз, опровергающий классические представления. Как и ожидалось, при приближении к поверхности подъемная сила резко возрастает — это явление известно как «экранный эффект». Однако его природа на Марсе оказалась иной. Если на Земле его вызывает «воздушная подушка» из-за роста давления, то в разреженном газе доминируют силы вязкого трения. Главное открытие было связано с точкой приложения результирующей силы. В отличие от полетов в плотной атмосфере, где эта точка смещается к передней кромке крыла, создавая опрокидывающий, дестабилизирующий момент, в вязкой марсианской среде все происходит наоборот. Моделирование показало, что центр давления смещается к задней кромке.
Рисунок 1. 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: журнал Acta Astronautica
Александр Шамин, асcистент кафедры высшей математики МФТИ, кандидат физико-математических наук, пояснил: «Мы обнаружили, что в разреженном газе поверхность как бы протягивает аппарату невидимую руку помощи. Смещение центра сил назад создает естественный стабилизирующий момент, который стремится опустить нос аппарата и уменьшить угол атаки. Это саморегулирующийся механизм, который помогает гасить колебания и обеспечивает более безопасную посадку. Это фундаментальное отличие, которое необходимо учитывать при проектировании любых аппаратов, предназначенных для работы у поверхности Марса».
Вторая часть исследования была посвящена концепции «марсолета» — миниатюрного аппарата, передвигающегося за счет машущих крыльев. Ученые смоделировали систему из двух соединенных пластин и доказали, что такой способ движения не только возможен, но и может быть весьма эффективным. Анализ показал, что для достижения максимальной скорости поступательного движения наиболее выгодной стратегией является мах с постоянной угловой скоростью, а не с постоянным ускорением. Это дает инженерам подсказку для разработки систем управления будущих марсианских дронов.
Рисунок 2. 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: журнал Acta Astronautica
Исследование демонстрирует, как доминирование вязких сил полностью меняет аэродинамическую картину. Полученные результаты помогут создавать надежные и устойчивые системы мягкой посадки для тяжелых миссий, а также маневренные и легкие исследовательские дроны, способные изучать каньоны, пещеры и другие труднодоступные районы Марса.
Научная статья: A.A. Shamina, A.V. Zvyagin, A.Y. Shamin, Motion and self-motion of thin bodies in rarefied gas, Acta Astronautica 226 (2025) 20-24, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2024.10.037.
