Вопрос, что произойдет, если бросить бумажный самолетик из Международной космической станции (МКС), на первый взгляд кажется скорее забавной детской фантазией или исследовательским курьезом. Однако, как ни странно, именно он привлек внимание ученых, способных посмотреть на эту кажущуюся простую тему через призму аэродинамики, физики атмосферы и динамики полета объектов при входе в атмосферу Земли. В недавнем исследовании, проведенном учеными из Токийского университета Максимильеном Бертэтом и Кодзиро Сузуки, был подробно проанализирован процесс спуска бумажного самолетика из орбиты, моделируя условия, при которых он попадает в плотные слои атмосферы. Именно эта работа позволяет более полно понять, способен ли такой хрупкий объект выжить в экстремальных условиях реентри – вхождения в атмосферу на огромной скорости. МКС находится приблизительно на высоте 400 километров над поверхностью Земли и движется со скоростью около 7,8 километров в секунду.
При этом атмосфера на такой высоте очень разрежена, почти как вакуум, а значит, на объект, покидающий станцию, плотное сопротивление воздуха практически не влияет до тех пор, пока он не начнет опускаться ниже по орбите. Теоретически, бумажный самолетик, сброшенный с этой высоты, сначала сохраняет свою форму и стабильность, почти не испытывая сопротивления атмосферы. Но по мере приближения к плотным слоям атмосферы физические условия становятся все более суровыми. Ключевым фактором, который определяет поведение бумажного самолетика во время спуска, является так называемый баллистический коэффициент – величина, характеризующая отношение массы объекта к площади его поперечного сечения и сопротивлению воздуха. У бумажного самолетика этот коэффициент очень низкий, что ведет к быстрому замедлению и падению скорости с высоты около 120 километров.
Именно на этой высоте плотность воздуха становится существенной, и начинаются сильные аэродинамические нагрузки, которые оказываются губительными для тонкой бумаги. При входе в атмосферу любому объекту приходится сталкиваться с внезапным увеличением сопротивления, которое может вызвать своеобразное неуправляемое вращение – «вихревое падение». Для бумажного самолетика последствия этого явления особенно опасны, поскольку он не обладает структурной прочностью, а его аэродинамическая форма оказывается нестабильной в таких условиях. В результате модель, описанная в исследовании, показывает, что самолетик начинает крутиться и теряет ориентацию, приближаясь к непредсказуемой траектории полета. Чтобы подтвердить воспроизвести это в лабораторных условиях и проверить теоретические выводы, ученые изготовили уменьшенную модель бумажного самолетика, дополнив её алюминиевым хвостом для повышения прочности.
Эту модель подвергли испытаниям в гиперзвуковой печи и аэродинамической трубе, где создавались условия, схожие с реальностью при входе объекта в атмосферу Земли на огромных скоростях. Модель выдержала воздействия ветров со скоростью до семи Махов (что примерно соответствует семикратной скорости звука) в течение нескольких секунд, обнаружив на носовой части и кончиках крыльев признаки опаления и деформации, но не полное разрушение. Опыт показал, что бумажный самолетик не может устоять перед долгим воздействием экстремальных температур и аэродинамических сил, которые вызывают сначала деформацию, затем обгорание и в конечном итоге разрушение конструкции. Это свидетельствует, что практически невозможна ситуация, при которой такой объект сможет пережить полный спуск с орбиты и долететь до поверхности Земли в целости и сохранности. Тем не менее подобные эксперименты имеют важное значение не только с точки зрения чистой науки, но и в практическом смысле.
К примеру, легкие и аэродинамически стабильные конструкции, похожие на бумажные самолетики, могут найти применение в космических миссиях по исследованию атмосфер других планет, в частности Венеры, в рамках концепций вроде эксперимента LEAVES. Такие конструкции могут служить платформами для сбора данных, которые после выполнения миссии разрушатся и сгорят в атмосфере, не оставляя мусора. Проведение исследований по динамике подобных объектов расширяет представления о поведении легких материалов при экзотических сценариях и улучшает знания по аэродинамике на сверхвысоких скоростях и в условиях плазменного нагрева. Это имеет значение не только для научных изысканий, но и для разработки встроенных систем безопасности, новых типов защитных покрытий, а также для космического мусора и его демонтажа. Научный подход к столь необычной теме доказывает, что наука часто рождается из самых непривычных вопросов, которые на первый взгляд могут казаться игрой или шуткой.
Анализ дальнейшей судьбы бумажного самолетика, сброшенного с МКС, позволяет не только ответить на уникальный вопрос, но и вдохновляет ученых и инженеров создавать новые идеи и подходы, способные изменить будущее космических исследований. Интерес к таким исследованиям объясняется не только технической сложностью и новизной, но и эстетической красотой идеи – легкий и простой бумажный самолетик, созданный, казалось бы, для детских забав, режет космическое пространство и борется с суровыми физическими законами, символизируя стремление человека к исследованию и познанию. Таким образом, хотя бумажный самолетик не способен победить суровые условия входа в атмосферу и не переживет полет с орбиты до поверхности, данный эксперимент и исследования вокруг него дают глубокое понимание процессов, которые имеют более широкое и практическое значение в аэрокосмической инженерии и планетологии. Именно сочетание простоты замысла и сложной науки делает этот эксперимент уникальным примером творческого подхода и научного любопытства, важного для будущих поколений исследователей и инженеров.
