В 2001 году российские ученые провели сложнейшие расчеты, предсказавшие значительный нагрев задней поверхности спускаемого марсианского аппарата. Тогда эти результаты вызвали сомнение, и лишь сейчас появилась возможность окончательно подтвердить их с помощью измерений, проведенных во время спуска в атмосфере Марса европейского аппарата «Скиапарелли».

Программными комплексами, которые позволяют проводить подобные расчеты, долгое время обладали только США и Россия. Отечественный код NERAT был разработан в Институте проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН (ИПМех РАН) академиком РАН Сергеем Суржиковым.

От «Звездных войн» к Марсу

«За эту задачу нас заставили взяться прежде всего исторические традиции нашего института и Лаборатории радиационной газовой динамики, берущей начало от научной группы под руководством Якова Борисовича Зельдовича и Юрия Петровича Райзера, которого я имею честь считать своим учителем», – рассказывает Сергей Суржиков.

ИПМех РАН был основан в 1965 году Александром Юльевичем Ишлинским, и в постановлении о его организации среди основных научных направлений упоминается и физическая газодинамика. Это не просто аэродинамика, то есть механика сплошных сред в классическом виде, а синтез механики с химией и физикой, включая и квантовую физику.

Если в аэродинамике состав газа считается постоянным, то при скоростях, характерных для спуска в атмосферах планет, возникают такие температуры и давления, при которых начинают протекать интенсивные химические реакции с выделением и поглощением тепла. К примеру, в расчетах по спуску в атмосфере Марса использовались кинетические модели, включающие порядка сотни химических реакций, отобранных для газодинамических расчетов в результате тщательного анализа химических процессов, протекающих в высокотемпературных смесях CO₂ и N₂.

Кроме того, при таких скоростях резко возрастает значение неравновесных процессов физической кинетики возбуждения внутренних степеней свободы молекул и радиационного нагрева, то есть той составляющей, которая приходит на поверхность аппарата в виде теплового излучения раскаленного газового потока. А для расчета этого излучения при температурах в тысячи градусов приходится использовать модель колебательной кинетики молекул, что предполагает привлечение элементов квантовой физики.

«Отдел физической газодинамики в институте возглавлял Юрий Петрович Райзер, и в начале 1980 годов он пригласил меня, молодого кандидата наук, на потрясающую задачу, от которой я не смог отказаться, – продолжает рассказ Сергей Суржиков. – Я бросил все, чем 8 лет занимался до этого в ракетно-космической отрасли, и ушел к нему младшим научным сотрудником».

Наступала эпоха фантастических разработок, которые вошли в историю под названием «Звездных войн». О том, чем занимался будущий академик, можно судить по темам его и Ю. П. Райзера работ того времени, опубликованных в ведущих американских и российских журналах: магнитогидродинамика высотных взрывов, расширение бесстолкновительной плазмы в верхних слоях атмосферы и т.п.

Но наступили иные времена, и от конфронтации с Западом страна перешла к сотрудничеству с ним. В конце 1990-х годов Европейское космическое агентство (ЕКА) предложило выдающемуся ученому в области механики, признанному во всем мире авторитету в области гиперзвуковой аэродинамики, директору Института механики МГУ академику Горимиру Горимировичу Черному организовать совместную работу по научным основам аэрофизики будущей европейской миссии на Марс.

«В рамках этой работы необходимо было провести расчет входа спускаемого аппарата в атмосферу Марса, – вспоминает академик Суржиков. – Это была сложнейшая задача, решение которой в 1998 году поручили нескольким российским научным группам, в том числе мне, поскольку авторитет нашей лаборатории в этой области к тому времени был уже очень высок».

Сложность в первую очередь состояла в том, что атмосфера Марса принципиально отличается от атмосферы Земли. Во-первых, она существенно, в 170 раз, более разрежена, а во-вторых, она сильно отличается от земной по составу, поскольку на 95–97% состоит из углекислого газа CO₂. Поэтому богатый опыт проектирования спускаемых аппаратов для Земли здесь не годился и в отсутствии экспериментальных данных приходилось опираться на результаты численного моделирования. Провести подобные расчеты в то время могли и американцы, но они были заняты своей марсианской программой, поэтому у европейцев не было иного выхода, как обратиться к России.

Одним из главных авторитетов в этой области в США был Питер Ноффо, ведущий научный сотрудник Исследовательского центра Ленгли NASA и один из создателей компьютерного кода расчета по аэрофизике.

«Питер Ноффо, с которым позже у меня было много встреч, – это инженер от бога», – говорит Сергей Суржиков.

Ученый вспоминает, что одна из сложнейших задач, которая была решена американскими коллегами, возникла, когда в 2005 году у шаттла Discovery отвалилась теплозащитная плитка при выходе на орбиту. Это был первый полет шаттла после катастрофы «Колумбии», которая как раз и погибла в 2003 году из-за повреждения защитной оболочки, поэтому руководство NASA не решалось дать команду на посадку, опасаясь повторения трагедии. Полет продлили на время, пока американские ученые и инженеры после проведения дополнительного теплового анализа и суперкомпьютерных вычислений не дали рекомендации для осуществления посадки. Среди них была и научная группа Питера Ноффо.

«Интенсивные работы по тематике спуска в атмосфере Марса были начаты в США примерно в 1991 году, когда было принято решение о начале большой марсианской программы NASA, – рассказывает Сергей Суржиков. – Начались испытания на стендах, ударных трубах, плазмотронах, пошли статьи, где-то с 1992-93 года я насчитал около 50 работ в этой области и было видно, что на это выделены огромные деньги. В 1999 году появились несколько очень серьезных работ, содержавших подробный расчет спускаемого аппарата Mars Pathfinder, на которые я, как специалист, во многом ориентировался».

Сергею Суржикову к 2000 году удалось создать первую версию своего кода для аэрофизических расчетов под названием NERAT (Non-Equilibrium Radiative Aero Thermodynamics), который во многом аналогичен американскому, а в чем-то и превосходил его (см. статью «Код доступа на Марс: академик Суржиков рассказал об уникальной разработке ИПМех РАН»).

«И вот в рамках сотрудничества с ЕКА в 2001 году мы вместе с сотрудником Института механики МГУ Валерием Григорьевичем Громовым и представителем французского космического агентства CNES Жан-Марком Шарбонье опубликовали статью «Конвективный и радиационный нагрев подветренной поверхности марсианского космического аппарата», – рассказывает Сергей Суржиков. – Эта статья воспроизводила расчеты, сделанные американцами за два года до этого. Но в их анализе в основном уделялось внимание лобовой поверхности, что вполне понятно. А нам с Валерием Григорьевичем впервые удалось показать, что значительный нагрев может возникать и на тыльной поверхности марсианского спускаемого аппарата, где тепловые потоки могут составлять порядка 2-3 Вт/см². Тогда этот результат у многих вызвал недоумение, поскольку считалось, что атмосфера Марса слишком разреженная, чтобы беспокоиться о нагреве задней поверхности».

Принципиально важным оказалось то, что молекулы СО₂ в инфракрасной области имеют очень мощные колебательные моды, и при температуре выше 1000 градусов они начинают сильно излучать. Излучение от шлейфа раскаленного газа, который тянется за аппаратом на десятки метров, доходит до задней поверхности, формируя нагрев в единицы Вт/см². И это не безобидная вещь. Известно, что при мощности инфракрасного излучения в 1 Вт/см² через 6-8 с на коже образуется ожог, а при 2 Вт/см² – воспламеняется древесина. При этом у европейских марсианских аппаратов в исходном варианте сзади не планировалась тепловая защита. Как результат, было принято решение делать тепловую защиту в том числе и задней поверхности. Но поначалу эти расчеты вызывали недоверие.

«Когда я впервые получил результаты по радиационному потоку для задней поверхности, то примерно год у нас шли дискуссии, и я сам сомневался в правильности расчета, пока не связался со своими учителями по космической отрасли, – вспоминает Сергей Суржиков. – И мы провели аналогию с излучением струй ракетных двигателей, которые также представляют собой шлейф раскаленных газов со значительной долей СО₂. И оказалось, что излучение от них идет настолько мощное, что донную область ракеты-носителя приходится защищать теплозащитой. Александр Николаевич Румынский, гуру радиационной газодинамики ЦНИИмаша, головного института космической отрасли, мне тогда сказал: «Сергей, я думаю, что ты даже занизил значение». После этого мне полегчало, и мы опубликовали свои результаты».

Здесь также уместно заметить, что академик Суржиков с благодарностью вспоминает своих учителей и коллег, которые в значительной степени сформировали его научные подходы к решению поставленных задач: профессоры Лосев С.А., Гольдин В.Я., Тирский Г.А., Чудов Л.А.

Эти результаты среди прочих позже получили признание и у американцев, благодаря чему в 2014 году Сергея Суржикова избрали в почетные члены Американского института аэронавтики и астронавтики, крупнейшего в мире сообщества аэрокосмических инженеров и ученых. Но возможность окончательно проверить эти выводы появилась лишь после полета «Скиапарелли».

Предсмертные записи «Скиапарелли»

«Скиапарелли» – спускаемый аппарат массой 577 кг с лобовым экраном в виде конуса диаметром 2,4 м, разработанный Европейским космическим агентством (ЕКА) в рамках российско-европейской программы «ЭкзоМарс» и названный в честь итальянского астронома Джованни Скиапарелли, в 1877 году увидевшего на поверхности Марса прямые линии, которые ошибочно приняли за каналы искусственного происхождения [1]. Главной задачей аппарата была отработка технологий входа в атмосферу, спуска и посадки на поверхность Марса.

14 марта 2016 года «Скиапарелли» успешно стартовал в составе межпланетной станции «ЭкзоМарс-2016» с космодрома «Байконур». На перелетную орбиту его вывела российская ракета-носитель «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М» [1]. Перелет прошел успешно, но, к сожалению, 19 октября 2016 года спускаемый аппарат потерпел аварию при попытке совершить мягкую посадку на Марс. Причиной послужил сбой в программном обеспечении бортового компьютера, в результате чего произошел преждевременный отстрел тормозного парашюта на высоте 3,7 км. «Скиапарелли» разогнался в свободном падении до скорости более 300 км/ч и разбился о поверхность Марса. Но перед этим аппарат успел передать данные своих измерений в ходе спуска [1].

Рис. 1. Расположение датчиков на спускаемом аппарате «Скиапарелли» [2], (ESA/ATG medialab).

Среди них были показания экспериментального оборудования, включающего три датчика полного теплового потока и радиометр [3]. Эту систему как раз и установили на задней поверхности, учитывая особую важность летных данных по уровню нагрева тыльной части спускаемого аппарата.

Опираясь на эти данные, российские ученые повторили расчет, сделанный 20 лет назад, но уже для нового облика марсианского аппарата. А главное – появилась возможность сравнить результаты расчета с измеренными в ходе спуска величинами нагрева.

Рис. 2. Схема посадки «Скиапарелли» [3], (ESA/ATG medialab).

«Скиапарелли» на скорости 5,8 км/с пересек условную границу атмосферы Марса на высоте примерно 82 км. (Для сравнения: Mars Pathfinder в 1996 г. совершил вход в марсианскую атмосферу со скоростью 7,65 км/c). В течение 3−4 минут скорость аппарата снижалась путем аэродинамического торможения с помощью лобового экрана и на высоте 11 км над поверхностью, когда скорость аппарата уменьшилась до ~ 0,5 км/с, был задействован парашют для дальнейшего торможения [1].

Расчеты были выполнены для четырех траекторных точек, параметры которых представлены в табл. 1. (по данным работы [4]).

Табл. 1. Высота (H), скорость аппарата (V), давление (p) и температура (T) атмосферы для исследованных траекторных точек.

«Особенность траектории спуска «Скиапарелли» состояла в том, что из-за блокировки сигнала плазмой (фактически – частично ионизованным газом) на траектории был достаточно протяженный участок радиомолчания, – рассказывает соавтор работы, старший научный сотрудник Лаборатории радиационной газовой динамики ИПМех РАН Дмитрий Яцухно. – Информация есть только по отдельным точкам траектории. Тем не менее, эти данные представляют значительный интерес. Первая из рассмотренных точек характеризуется самой большой скоростью. Для нее, несмотря на разреженность атмосферы, отмечается существенная степень термического разложения СО₂. После зоны радиомолчания, начиная с высоты порядка 28 км, СО₂ практически не разлагается, но атмосфера становится плотнее, и нагрева СО₂ до 1000 градусов оказалось достаточно, чтобы для данной точки траектории в ходе летного эксперимента фиксировались заметные (порядка 1 Вт/см²) уровни радиационного нагрева задней части аппарата».

Рис. 3. Распределения температуры (слева) и безразмерного давления (справа) для траекторной точки S1 по результатам расчета с помощью компьютерного кода NERAT-3D.

Нагрев поверхности спускаемого аппарата реализуется двумя механизмами: кроме радиационного нагрева за счет теплового излучения, есть еще и конвективный, который происходит за счет теплопроводности газа и химических реакций вблизи поверхности. Конвективный нагрев обычно вносит основной вклад, но на высоте 28 км при скорости полета 2,6 км/c радиационный нагрев задней поверхности «Скиапарелли» превосходит конвективный и достигает значений 1–2 Вт/см², что составляет порядка 70 % от общего нагрева. Полученные расчетные данные находятся в удовлетворительном согласии как со сторонними опубликованными результатами [5], так и с данными летного эксперимента [4] (см рис. 4).

Рис. 4. Результаты сравнения расчетных и экспериментальных [4] данных по радиационному нагреву для траекторных точек S1–S4.

«Определенное расхождение расчетных и экспериментальных данных в условиях такого сложного эксперимента вполне допустимо, поскольку в физической газодинамике коридор достоверности данных по излучению – это порядок величин, – говорит Дмитрий Яцухно. – Кроме того, это расхождение может быть вызвано не только погрешностью расчета, но и погрешностью измерения».

Фото 1. Сергей Суржиков и Дмитрий Яцухно провели расчет спуска в атмосфере Марса по опубликованным летным данным «Скиапарелли» [4].

«Разумеется, в нашей лаборатории решено много задач, которыми можно гордиться, – подводит итог академик Суржиков. – Но эту работу хочется выделить. Через 20 лет у нас появилась возможность проверить наши выводы на реальных данных спуска в атмосфере Марса. Красивейшая задача!»

Подготовил Леонид Ситник, редакция сайта РАН.

Фото в начале статьи ESA/ATG medialab.

Список использованных источников:

1. Википедия (https://ru.wikipedia.org/wiki/Скиапарелли_(спускаемый_аппарат))

2.https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/ExoMars/Schiaparelli_landing_investigation_completed

3.https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/ExoMars/Schiaparelli_s_landing

4.Gülhan, A., Thiele, T., Siebe, F., Kronen, R., & Schleutker, T. (2019). Aerothermal measurements from the ExoMars Schiaparelli capsule entry. Journal of Spacecraft and Rockets, 56(1), 68-81.

5.Brandis A.M. et al. Simulation of the Schiaparelli entry and comparison to aerothermal flight data // AIAA Paper 2019-3260. 2012. P. 20.