Коллектив исследователей из МГУ им. М.В. Ломоносова, Института системного анализа РАН и МФТИ провел детальное численное моделирование, раскрывающее уникальные аэродинамические эффекты при полётах в разреженной атмосфере Марса. Оказалось,  что при посадке летательного аппарата вязкость тонкого марсианского воздуха создает неожиданный стабилизирующий момент, что также позволит реализовать машущий полёт исследовательских дронов. Результаты работы опубликованы в журнале Acta Astronautica при поддержке гранта РНФ номер 24-71-10026.

Полёты 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 полёте, 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 полётов 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.

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.

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.