Группа исследователей из Московского университета им. М. В. Ломоносова, Института системного анализа РАН и МФТИ выполнила подробное численное моделирование, раскрывающее нетипичные аэродинамические явления в разреженной атмосфере Марса. Оказалось, что при посадке аппарата вязкость марсианского воздуха порождает неожиданный стабилизирующий момент и открывает возможность машущего полёта исследовательских дронов. Итоги работы опубликованы в журнале Acta Astronautica при поддержке гранта РНФ № 24-71-10026.
Полёты на Красной планете представляют собой серьёзную задачу: плотность марсианской атмосферы почти в 100 раз меньше земной, а значит, законы аэродинамики меняются кардинально. Здесь движение происходит при низких числах Рейнольдса, когда силы вязкости доминируют над инерционными, и привычные земные представления о подъёме и сопротивлении требуют полного переосмысления. Особенно критично это на финальной стадии спуска, где малейшая нестабильность может привести к аварии.
Учёные поставили две ключевые задачи: во-первых, выяснить, как близость к поверхности влияет на аэродинамические силы, действующие на тонкое крыло; во-вторых, оценить потенциальную эффективность машущего движения в таком разреженном газе. Для этого применили продвинутый численный метод решения сингулярных интегральных уравнений, что позволило с высокой точностью смоделировать поведение тонкой пластины в разреженном воздухе.
Моделирование дало неожиданный результат, поставив под сомнение классические представления. Как и в земных условиях, подъёмная сила резко возрастает при приближении к поверхности — эффект «экрана». Но если на Земле его обуславливает повышение давления, то на Марсе за это отвечают вязкостные силы. Ключевой момент — смещение точки приложения результирующей силы: вместо привычного для плотной среды смещения к передней кромке, что создаёт опрокидывающее усилие, в разреженном марсианском воздухе центр давления смещается к задней кромке, обеспечивая устойчивость.
Александр Шамин, ассистент кафедры высшей математики МФТИ, кандидат физико-математических наук:
«В разреженном газе поверхность словно подаёт аппарату невидимый «стабилизирующий» импульс: смещение центра давления назад создаёт момент, автоматически выравнивающий нос и снижая угол атаки. Это саморегулирующий эффект, гасящий колебания и повышающий надёжность посадки. Учитывать его критично при разработке любой техники для работы у поверхности Марса».
Вторая часть исследования была посвящена концепции «марсолёта» — лёгкого летательного аппарата с машущими крыльями. Модель из двух связанных пластин показала, что такое движение не только возможно, но и может быть весьма эффективным. Анализ выявил: для максимального поступательного ускорения выгоднее поддерживать постоянную угловую скорость взмаха, а не постоянное ускорение, что станет важным ориентиром при создании систем управления марсианских дронов.
Доказано, что преобладание вязкостных сил коренным образом меняет аэродинамическую картину. Полученные результаты помогут спроектировать надёжные системы мягкой посадки тяжёлых миссий, а также манёвренные дроны для исследования каньонов, пещер и других труднодоступных участков Марса.
Ссылка на статью: 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
