Верхом на «Казачке»? В МАИ разрабатывают самолет для исследования Марса

Исследовать марсианскую поверхность с помощью беспилотного солнечного самолета предложили российские ученые. В отличие от вертолета, самолет, использующий энергию Солнца, может летать дольше, а значит — дальше, преодолевая за один день свыше тысячи километров. В чем сложность полета в атмосфере Марса и какие варианты летательных аппаратов рассматриваются, RTVI рассказала соавтор проекта, инженер Елена Карпович, которая вместе со специалистами института № 1 «Авиационная техника» Московского авиационного института (МАИ) занимается их расчетами.

Как родилась идея создания самолета для полета в атмосфере Марса?

Идея пришла в голову моему коллеге Джахиду Гуерешу после того, как первый полет американского вертолета Ingenuity на Марсе открыл совершенно новую эпоху в исследовании других планет. У нас в МАИ есть подразделение, которое занимается налаживанием связей между университетами. Его сотрудники периодически предлагают подавать заявки на гранты Российского научного фонда (РНФ), в том числе на международные проекты. Мы формировали нашу заявку вместе со специалистами по вычислительной гидроаэродинамике из университета технологий города Харагпур (Индия). Наша заявка была подана летом 2021 года, и она называлась «Беспилотный летательный аппарат дальнего действия для исследования Марса». Из более чем 300 команд из России и Индии были одобрены проекты 25 из них, и мы оказались среди счастливчиков.

Американский вертолет Ingenuity летает на Марсе уже почти два года. Его создатели надеялись хотя бы на 5 полетов, но он уже совершил 40, и в NASA делают ставку в будущем именно на вертолеты для Марса. В чем преимущество самолета?

У каждого типа летательных аппаратов есть своя ниша, в которой у них преимуществ больше, чем недостатков. У самолета с фиксированным крылом тяговооруженность может быть меньше единицы, а значит — меньший вес силовой установки, больше грузоподъемность и больше дальность полета, чем у вертолета. Для решения задач, связанных с большой дальностью полета, самолет предпочтительнее, чем вертолет.

Расчет любого летательного аппарата — это всегда компромисс между целями и существующими ограничениями. Какие ограничения в вашем случае влияют на выбор схемы?

Мы занимаемся только предварительным проектом. Мы играем с геометрией, оптимизируем, проводим параметрические исследования. На текущей стадии проекта мы работаем с тремя группами ограничений. Первая связана с тем, что БПЛА необходимо доставить на Марс. Вторая группа ограничений — это условия на Марсе, которые отличаются не в лучшую сторону от земных. И, наконец, ограничения, связанные с научной миссией, с исследованием планеты. К первой группе относится размер посадочной капсулы, который ограничен размерами носового обтекателя ракетоносителя.

«Протона»?

Да, в качестве исходных данных мы брали геометрию носового обтекателя «Протона», которая есть в открытом доступе, и получается, что габариты летательного аппарата ограничены размером 3,4 метра. Таким образом, если размах крыла больше, чем 3.4 метра, у него должна быть складывающаяся, телескопическая, или «мягкая» конструкция.

Полет к Марсу будет длиться 8-8,5 месяцев, в это время оборудование на борту БПЛА нужно защищать от радиации. Плюс — необходимо учитывать перегрузки при входе в атмосферу Марса.

Вторая группа ограничений, связанная с условиями на Марсе — климат и атмосфера, в сто раз менее плотная, чем на Земле. С позиции аэродинамического проектирования, важное значение имеют малые числа Рейнольдса, ожидаемые для небольшого БПЛА, летящего на малой скорости в атмосфере с малой плотностью. Число Рейнольдса представляет собой отношение сил инерции к силам вязкого трения в жидкости или газе. Чем меньше это число, тем больше коэффициент трения. Для нашего аппарата этот параметр лежит в диапазоне 40- 60 тыс., и это очень мало. В этих условиях мы не можем применять высоконесущие профили крыла, которые создают больший градиент давления и скорости, а значит — подъемную силу.

Если в качестве источника питания используются солнечные батареи, мы хотим, чтобы аппарат работал в определенном диапазоне широт на планете. Однако, наши соображения могут конфликтовать с предпочтениями ученых, которые, может быть, заинтересованы в исследовании совсем другого места на Марсе.

Летом мы общались с учеными Института космических исследований РАН и предложили исследовать кратер Эллада Планиция. Это очень интересный объект, мало изученный. Глубина этого кратера достигает 7,5 километра, размеры — 3000 на 1500 км. В районе дна кратера предположительно давление в два раза выше, чем на поверхности. У кратера есть наклонные стены, на которых, метафорически выражаясь, можно прочитать сотни тысяч лет истории планеты. Для решения этой задачи нам надо оборудовать наш самолет спектрометром и другими научными приборами.

Коллеги из Института космических исследований (ИКИ РАН) предложили нам переносить некую научную станцию с места на место с помощью конвертоплана, который может взлетать вертикально, и нам еще предстоит осуществить множество расчетов, чтобы понять, насколько осуществим такой профиль полета.

На какой схеме самолета вы пока остановились?

К настоящему времени я написала код для расчета самолета нормальной схемы с силовой установкой, состоящей из воздушного винта и электродвигателя, а также солнечными батареями и аккумулятором для накопления энергии.

Но из-за низкой солнечной радиации на Марсе и из-за того, что сертифицированные для использования в космосе системы, те же солнечные батареи, имеют очень большую удельную массу, получается, что наш самолет не успевает накопить достаточно энергии за день для продолжения устойчивого полета в течение всей ночи. Поэтому от варианта с аккумулятором мы отказались, и исходим из того, что самолет осуществляет однократный, но длительный полет продолжительностью максимум 8 часов и дальностью примерно 1200-1400 км.

К настоящему времени мы более-менее оптимизировали геометрию крыла. Наиболее рациональная компоновка имеет размах крыла 3,2 метра. Масса полезной нагрузки составит один килограмм при массе самого самолета 4,3 кг. У БПЛА будет довольно большая крейсерская скорость — 42 м/с.

Учитывали ли вы опыт американцев с их марсианским вертолетом и успехи земных «солнечных» самолетов, которые на западе уже могут летать месяцами?

Мы были бы счастливы опираться на существующий опыт, полученный нашими зарубежными коллегами, но в Штатах, так же как у нас, самая полезная информация является конфиденциальной. Наш проект является открытым и международным. По этой причине мы пока используем данные, которые есть в открытом доступе, а успехи других коллективов — очень мощная мотивация к тому, чтобы эффективнее работать.

Как самолет входит в атмосферу и начинает полет?

Это очень интересная история. Траекторию подлета ракеты к Марсу для нас уже посчитали коллеги из института № 6 «Аэрокосмический» МАИ. Расчет спуска капсулы с БПЛА в атмосфере Марса пока находится в работе. В настоящий момент я могу дать ориентировочные данные. Ракета подлетает к орбите Марса, капсула высвобождается из носового обтекателя на высоте примерно 500 километров над поверхностью и начинает спуск. На высоте 120 километров скорость капсулы составляет 21 тыс. км/ч! Капсула спускается до высоты примерно 11 км, где срабатывает система, выпускающая тормозные парашюты. Они уменьшают скорость капсулы до 60 м/с., и наш аппарат выскальзывает из нее в определенном положении. Далее возможны два сценария, поскольку, насколько мне известно, на Марсе до сих пор по какой-то причине нет взлетно-посадочной полосы. Либо наш самолет совершает однократный полет, выполняет свои научные задачи и падает. Либо мы проектируем конвертоплан, который сможет вертикально взлетать и осуществить несколько полетов. Для конвертоплана могут оказаться эффективными коробчатая схема крыла и распределенная силовая установка на базе четырех небольших винтов для создания тяги и управления.

Если у нас никакого спускаемого аппарата для поддержки самолета не будет, то не нужна и посадочная система.

Впрочем, спускаемый аппарат нам бы очень пригодился, поскольку оборудование для трансляции сигнала с поверхности Марса на Землю весит явно больше одного килограмма. То есть нам нужно передавать данные на некую платформу, которая будет передавать их на спутники, ретранслирующие сигнал на Землю.

Что еще ограничивает вас в выборе многодневного полета или например многоразового конвертоплана?

Проблема в том, что у нас открытый проект. Очень сложно искать данные по системам и оборудованию, которые сертифицированы для применения в космической технике. Но есть коммерческие фирмы, которые выпускают, например, солнечные панели для применения в космосе, и мы можем опираться на спецификации, размещенные на их сайтах. По этой причине мы знаем, что удельная масса космических солнечных панелей почти в три раза больше, чем удельная масса таких же, только земных.

Есть и еще одна проблема. С точки зрения снижения удельного веса конструкции целесообразно уменьшать размеры самолета, потому что масса конструкции прямо пропорциональна кубу линейных размеров. Но этот закон не работает для солнечных батарей, потому что мы можем уменьшить количество ячеек, но при этом толщина панелей останется такой же.

На начальном этапе проектирования необходимо рассматривать как можно больше альтернативных вариантов компоновки. В нашем случае компоновка включает в себя аэродинамическую схему и силовую установку. Чем больше вариантов мы рассматриваем, тем выше шансы найти оптимальный вариант компоновки для выполнения заданных задач. К настоящему времени мы рассмотрели только первый вариант — БПЛА нормальной аэродинамической схемы с силовой установкой, состоящей из воздушного винта, солнечных панелей, электромотора и аккумуляторной батареи. Кроме того, мы проводили много испытаний весовой модели с коробчатым крылом в дозвуковой аэродинамической трубе МАИ Т-1.

Из какого материала будет планер?

Над этой темой работает мой аспирант. Предположительно, у БПЛА будет композитное крыло, возможно, из углепластика с соответствующими характеристиками. Сейчас коллеги занимаются расчетом напряженно-деформированного состояния первого варианта конструкции БПЛА.

В свое время увеличение емкости и снижение веса аккумуляторов, а также появление легких, но мощных электромоторов дало толчок развитию всевозможных дронов, которых не было еще 20 лет назад, а сейчас ими никого не удивить. Прорыв в какой технологии может дать вам новые возможности для создания марсианских летательных аппаратов?

Я бы хотела «заказать» прорыв в области силовых установок — чтобы можно было брать окислитель или другое вещество, нужное для работы силовой установки, прямо из атмосферы Марса.

Каковы возможные перспективы проекта после окончания гранта РНФ? Каковы шансы, что он не ляжет в папочку, а выльется во что-то реальное?

Это зависит от нас. Мы сделаем все возможное, чтобы после окончания гранта продолжить эту работу, но уже на другом уровне, более высоком. У нас укрепляются связи со специалистами из космической отрасли. Я думаю, что, если мы добьемся убедительных результатов, то у нас будут очень широкие перспективы.

С учетом прошлогоднего отказа от совместного проекта «ЭкзоМарс» российская марсианская миссия не то чтобы приостановлена, но теперь мы даже не знаем, когда она состоится и в каком варианте. Может ли ваш проект стать основой ближайшей российской миссии на Марс?

Мы работаем над концепцией, и создаем научный задел, который позволит в случае необходимости существенно ускорить темпы разработки реального аппарата. Любопытно, что наш семинар в ИКИ проходил буквально на следующий день после того, как Европейское космическое агентство отказалось от сотрудничества с Россией по проекту «ЭкзоМарс». На семинаре мы узнали, что незадолго до нашего приезда в ИКИ была высказана мысль, что теперь на посадочной платформе «Казачок» освободилось место для вертикально взлетающей машины. Вот такое интересное совпадение.

Звучит заманчиво, только осталось «Казачок» вернуть из Европы…

Наш проект в рамках гранта РНФ посвящен исследованию концепции. Мы сделаем все возможное, чтобы результат нашей работы заинтересовал российские космические организации, в том числе НПО Лавочкина.

Целью нашей работы в данный момент является постройка и успешные испытания демонстратора технологий. Мы уже договариваемся с компанией, которая использует стратостаты для проведения испытаний различного оборудования в стратосфере. На высоте 30 километров над землей плотность и давление атмосферы примерно те же, что и на поверхности Марса. Таким образом, мы сможем испытать наш демонстратор в приближенных к реальным условиях, как надеемся, в конце 24-го года.