Из-за этого просчёта любой полёт на Марс мог закончиться катастрофой, но физики из Петербурга знают, что делать

Все мы немного фанаты Марса. Кто-то с детства зачитывался Брэдбери, кто-то следит за каждым твитом Илона Маска, а кто-то просто смотрит голливудские блокбастеры или мечтает о яблонях, которые там обязательно зацветут. Кажется, что главное — это построить большую ракету, долететь, а там уж как-нибудь разберемся.

Но в реальности самое жуткое, опасное и сложное в любой марсианской миссии — это посадка.

У инженеров NASA даже есть специальный термин — «семь минут ужаса». Это тот короткий промежуток времени, когда спускаемый аппарат входит в атмосферу Марса. А за эти самые минуты нужно затормозить аппарат, который несётся со скоростью под 20 000 км/ч, до нуля.

Аппарат врезается в разреженную атмосферу, и перед ним, как нос ледокола перед льдиной, образуется ударная волна — стена сжатого, раскалённого до тысяч градусов газа. Задача номер один — не сгореть (ярко, но бесславно) в этой плазме.

Именно с этой проблемой — как спроектировать теплозащиту, которая выдержит адский жар, — связана недавняя разработка учёных из Санкт-Петербургского государственного университета.

Почему CO₂ — это боль

Итак, начнём с того, что ударная волна — это не просто горячий воздух. Это газ, который сжали так быстро, что он не успел вежливо расступиться перед тем, кто его сжимал. Он переходит в совершенно иное состояние — неравновесное.

А загвоздка в том, что атмосфера Марса на 95% состоит из углекислого газа, CO₂, который ведет себя при гиперзвуковых скоростях крайне капризно. И эта самая молекула CO₂ — сложная штука.

В отличие от простых двухатомных газов (типа азота в земной атмосфере), конструкция CO₂ может вибрировать и колебаться несколькими разными способами (физики называют это «колебательными модами»).

Когда в эту сложную структуру прилетает ударная волна, она начинает сходить с ума, и предсказать, как именно она будет передавать тепло, — непростая задача.

И вот тут мы подбираемся к сути. Как мы тестируем теплозащиту? Правильно, в аэродинамических трубах на Земле. Мы создаём в трубе поток газа, ставим туда модель аппарата и смотрим, что происходит. Но есть один нюанс, который десятилетиями портил всю малину.

Газ в аэродинамической трубе, чтобы его разогнать до нужных скоростей, уже «взболтанный», предварительно нагретый и неравновесный. А на Марсе аппарат врезается в спокойный, холодный, равновесный газ (плюсом в смеси могут быть и разные инертные газы, например,

То есть прямое использование данных из лаборатории для предсказания столкновения с марсианским воздухом — это верный путь к фатальной ошибке. По простому: ваш термощит может оказаться либо избыточно толстым (дорого), либо слишком тонким (опасно).

Решение СПбГУ

И вот, команда механиков СПбГУ под руководством профессора Елены Кустовой сделала то, что не удавалось другим: создала полностью самосогласованную математическую модель поведения ударных волн в марсианской атмосфере на базе кинетической теории. Что это значит?

Переводя на человеческий, эта модель — не просто набор формул, подогнанных под эксперимент. Раньше ведь их как собирали — часть уравнений из теории, часть коэффициентов (вязкость, теплопроводность) из экспериментов...

А группа Кустовой вывела ВСЕ уравнения и коэффициенты чисто теоретически (а не из справочников), на основе фундаментальных законов физики — как именно сталкиваются частицы газа, как они обмениваются энергией.

Но что более важно — впервые в таких расчётах учли диффузию — процесс, при котором разные газы в смеси (например, CO₂ и гелий) проникают друг в друга.

Так вот, оказалось, что этот процесс, которым раньше пренебрегали, дико влияет на то, как тепло передается от ударной волны к поверхности аппарата. Старые модели, игнорирующие этот эффект, занижали тепловой поток в два раза.

Что это значит? Ну, например, у вас есть огнеупорный сейф, с расчётом на то, что его будут греть до 1000 градусов. Вот он стоит себе красивый, а на него обрушился жар в 2000 градусов. Как думаете, много шансов у вашего сейфа и его содержимого? Вот и у космического аппарата тоже.

Стандартные коммерческие программы (типа ANSYS) для таких тонких расчётов (неравновесной кинетики) не годились. Пришлось писать собственный софт с нуля, используя метод конечных объёмов. Весь процесс — от теории до цифр — контролировался учёными.

В результате имеем полный цикл от теории до численных расчётов «из коробки», без оглядки на сторонние библиотеки.

Что дальше?

Эта модель — лишь часть большой работы, которую ведут в СПбГУ. У них уже есть уникальная программа для анализа неравновесного CO₂, у которой, без шуток, нет аналогов в мире. Она оперирует тысячами (!) уравнений, описывающих все возможные состояния молекулы углекислого газа.

Точный расчёт тепловых потоков = правильная теплозащита. Это снижает риск повторить печальную судьбу некоторых аппаратов, которые разбились или сгорели при посадке (то есть будущие пилотируемые миссии станут значительно безопаснее). Может, и Илон Маск заинтересуется?

Ошибка в расчётах на проценты может стоить потери дорогущего аппарата (и это мы ещё пока людей туда не отправляем). Уточнённая модель — это страховка от выброшенных в марсианский песок сотен миллионов денег.

Но питерские наработки важны не только для Марса. Атмосфера Венеры — почти чистый CO₂, в атмосферах спутников Юпитера его тоже хватает. Так что модель СПбГУ — универсальный ключ к безопасной посадке и там.

И бонус для нас, землян. Тот же софт, что считает ударные волны, помог усовершенствовать методы утилизации CO₂ на Земле: его уже использовали для разработки технологий, снижающих парниковый эффект.

В планах у команды — изучать ещё более сложные процессы: отражённые ударные волны (ещё более жёсткие), поиграться с расширением потока в сверхзвуковом сопле (актуально для марсианских ракетных двигателей) и прокачать модель прямым статистическим моделированием (DSMC) для сравнения с континуальными методами. Это поможет понять, где заканчиваются границы применимости неравновесной аэродинамики.

В общем, работа кипит.

В итоге

Ну а в итоге мы теперь имеем практический инструмент, который сделает полёты к Марсу предсказуемыми и безопасными.

Когда первый человек ступит на Красную планету (будем надеяться, что это вопрос десятилетий, а не столетий), можно будет поблагодарить именно петербургских учёных. Людей, которые в лабораториях и за экранами компьютеров решают вот такие, казалось бы, узкоспециализированные, но абсолютно критические задачи.

И благодаря их фундаментальной науке наши шансы однажды в прямом эфире услышать заветную фразу «Есть посадка на Марсе!» становятся намного, намного выше.

Такие дела.