Невидимый барьер: что мешает кораблям безопасно войти в атмосферу Марса
Ученые из СПбГУ первыми в мире разобрались, как ведут себя ударные волны в углекислом газе, который не успевает прийти в равновесие.
Это важно, потому что атмосфера Марса состоит в основном из CO₂, и когда космический аппарат входит в нее на огромной скорости, возникает ударная волна.
Если неправильно рассчитать ее воздействие, теплозащита корабля может не выдержать.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physics of Fluids.
Раньше эксперименты проводили в аэродинамических трубах, но там газ перед ударной волной уже неравновесный, а в реальности — спокойный.
Если не учитывать эту разницу, расчеты окажутся неточными.
Ученые создали математическую модель, которая описывает, как ведет себя смесь CO₂ и инертных газов, учитывая даже мельчайшие детали — столкновения частиц и колебания молекул.
Елена Кустова, заведующая кафедрой гидроаэромеханики СПбГУ, объясняет:
Молекулы CO₂ сложнее, чем у двухатомных газов — у них несколько типов колебаний. Наша модель полностью самостоятельная: мы не берем готовые формулы, а выводим все с нуля, включая вязкость и теплопроводность. И впервые учли диффузию — оказалось, она вдвое увеличивает нагрев!
Для расчетов пришлось написать собственный код — обычные программы с этим не справляются. Теперь модель помогает точнее предсказывать, как будет нагреваться аппарат при посадке на Марс.
Что ученые намерены делать дальше
- Изучат отраженные ударные волны (не только прямые).
- Проверят, как CO₂ ведет себя в сверхзвуковом потоке.
- Сравнят разные методы расчетов, чтобы понять, где они дают сбой.
Ранее эта же команда создала программу, которая анализирует тысячи состояний CO₂.
Она уже используется для:
- Расчетов посадки на Марс и Венеру.
- Разработки методов утилизации углекислого газа на Земле.
Такой программы нет больше ни у кого в мире.
Это исследование решает две практические задачи:
- Безопасность космических миссий. Если теплозащиту рассчитают неправильно, аппарат сгорит в атмосфере. Уже были случаи, когда ошибки в моделях приводили к авариям. Новая методика снижает риски.
- Экология Земли. CO₂ — главный парниковый газ. Чем лучше мы понимаем его поведение в экстремальных условиях, тем эффективнее можно его улавливать и перерабатывать.
Ранее ученые подсчитали, что на Марсе без риска для здоровья можно провести 500 дней.
