Некоторые вопросы кажутся на первый взгляд простыми или даже забавными, но именно они порой ведут к глубоким научным открытиям и вдохновляют исследователей на новые эксперименты. Среди таких вопросов — один особенно оригинальный: что же произойдет, если бросить бумажный самолётик с Международной космической станции (МКС), которая движется по орбите Земли на высоте около 400 километров?
Этим занялись двое исследователей из Токийского университета — Максимилиан Берте и Кодзиро Судзуки. Они решили не просто строить догадки, а провести подробный анализ и даже физические испытания, чтобы понять все этапы полёта бумажного самолётика, сброшенного из космоса, до момента его падения на поверхность Земли.
Исходные условия эксперимента
Для эксперимента учёные взяли обычный лист бумаги формата А4 — тот самый, который часто используется в школе и офисах. На его основе они создали классическую модель бумажного самолётика, привычную многим с детства. Однако главным здесь стал не простой самодельный самолёт, а использование современных аэродинамических моделей и компьютерного анализа, чтобы точно спрогнозировать поведение конструкции в сложнейших условиях.
Модель запускалась с высоты около 400 километров — это примерно высота орбиты МКС — со скоростью около 7800 метров в секунду, что соответствует орбитальной скорости станции. Именно на этой скорости и высоте начинаются самые интересные процессы взаимодействия объекта с разрежённой, но всё же присутствующей атмосферой.
Что происходит в космосе и верхних слоях атмосферы?
На высоте около 400 километров атмосфера Земли чрезвычайно разрежена — там практически вакуум. Это значит, что бумажный самолётик в первые часы после сброса будет двигаться практически без сопротивления воздуха, сохраняя свою ориентацию и траекторию. Благодаря этому он будет снижаться очень медленно, теряя скорость и высоту преимущественно из-за гравитационного притяжения.
Учёные рассчитали, что примерно за три с половиной дня самолёт сможет спуститься с орбиты до уровня около 120 километров над поверхностью Земли. На этой высоте атмосфера становится гораздо плотнее, а взаимодействие с воздушными массами начинает оказывать существенное влияние на полёт.
Воздействие плотных слоев атмосферы
Примерно на отметке 120 километров начинается самая драматичная часть пути бумажного самолётика. Тут давление воздуха уже достаточно высоко, чтобы вызвать неконтролируемое вращение модели, её тряску и потерю устойчивости. Каждый, кто когда-либо запускал бумажный самолётик, узнает эту ситуацию — в этот момент самолётик начинает «крениться», кружиться и теряет привычное плавное движение.
Максимилиан Берте и Кодзиро Судзуки подробно смоделировали эти процессы, используя сложные аэродинамические расчёты, которые учитывали не только сопротивление воздуха, но и изменение температуры, давление и влияние силы трения. Все это создаёт условия, при которых бумажный самолётик начинает «выкручиваться», не может сохранить правильную ориентацию и теряет скорость.
Физические испытания в аэродинамической трубе
Чтобы проверить свои расчёты на практике, учёные построили физическую модель самолёта — теперь уже не из бумаги, а из более прочных материалов, включающих усиленное алюминиевое хвостовое оперение. Это позволило им испытать модель в гиперзвуковой аэродинамической трубе Токийского университета.
Труба создаёт поток воздуха со скоростью, имитирующей условия входа объекта в плотные слои атмосферы с орбитальной скорости. Результаты испытаний подтвердили расчёты: носовая часть модели погнулась, появились следы ожогов на краях конструкции. Если бы испытания продолжались дольше, модель полностью сгорела бы, что соответствует реальной ситуации с бумажным самолётиком — он сгорит из-за трения и высокой температуры в плотных слоях атмосферы.
Практическое значение исследования
Хотя концепция сбрасывания бумажного самолётика с МКС кажется забавной, она имеет серьёзное прикладное значение. В последние годы учёные всё чаще обращаются к лёгким конструкциям для создания дешёвых и эффективных космических аппаратов, особенно для наблюдений за Землёй или другими планетами.
Использование материалов и конструкций, которые могут пережить короткий вход в атмосферу, а затем полностью сгореть, даёт уникальные возможности для создания недорогих устройств. Такие аппараты могут выполнять научные миссии без необходимости дорогих систем защиты или парашютных спусков.
Что дальше?
Исследование Максимилиана Берте и Кодзиро Судзуки — отличный пример того, как наука сочетает в себе творчество, любопытство и серьёзный аналитический подход. Вопрос о бумажном самолётике, казалось бы, детский и тривиальный, на деле открыл целый ряд важных аспектов аэродинамики, космических полётов и материаловедения.
В будущем подобные исследования могут помочь в разработке новых технологий для космоса и авиации, а также вдохновить новое поколение учёных и инженеров на нестандартные эксперименты.