Японські вчені змоделювали політ паперового літачка з МКС

Дослідники з Токійського університету Максиміліан Берте та Кодзіро Судзукі вирішили відповісти на питання, яке могло б спасти на думку допитливій дитині або фізику з розвиненою уявою: що станеться, якщо кинути паперовий літачок з Міжнародної космічної станції? Їхня відповідь поєднує серйозний інженерний аналіз з науковою фантазією.

Експеримент не передбачав, що астронавти викидатимуть паперові дротики через шлюзи. Замість цього вчені поєднали високоточне комп'ютерне моделювання з випробуваннями в аеродинамічній трубі, щоб дослідити, як поводитиметься складений аркуш паперу формату А4, запущений з низької навколоземної орбіти.

З моменту, коли змодельований літачок-орігамі покидає МКС на висоті близько 400 кілометрів над Землею, він починає свій приречений спуск. На відміну від космічного апарата, призначеного для проходження через атмосферу з захисним покриттям та двигунами, цей крихітний паперовий планер важить лише чотири грами. Його поверхня складається з целюлози та каолініту, а не з титану чи вуглецевого волокна. І все ж деякий час він ширяє.

Завдяки складанню у формі літака паперовий планер статично стабільний у вакуумоподібних верхніх шарах космосу. Він спрямовується носом вперед у повітряний потік, керований тонкими аеродинамічними силами, що діють на його паперову форму.

Ця початкова фаза спуску, як виявили дослідники, дивовижно спокійна. Літачок пасивно зберігає орієнтацію протягом кількох днів, спускаючись по спіралі вниз і швидко втрачаючи висоту. «Входження в атмосферу з кругової орбіти 400 кілометрів відбувається протягом кількох днів», пишуть автори.

Але потім, приблизно через чотири дні на висоті близько 120 кілометрів, трохи вище регіону, де супутники починають згоряти, плавний спуск змінюється хаосом.

Контрольований політ змінюється кувирканням у вогні. Розріджене повітря стає густішим. Опір різко зростає. Літачок починає кувиркатися. Моделювання, засноване на рівняннях, що відстежують орбітальну механіку, обертання та аеродинамічний опір, показують, що колись стабільний дротик тепер обертається неконтрольовано.

Це може означати лише одне — тепло. Папір почне горіти.

Щоб перевірити свої моделі, дослідники звернулися до апаратного забезпечення. Вони склали зменшену версію літачка-орігамі та помістили її в гіперзвукову аеродинамічну трубу високої ентальпії Кашіва в Токіо. Потім вони обдували її вітром зі швидкістю Мах 7 — понад 1000 метрів на секунду — протягом семи секунд поспіль.

Паперовий ніс літачка почав згинатися назад під дією сили, утворюючи гребінь завтовшки 3 міліметри. Кінчик потемнів, а краї крил обвуглилися. Незважаючи на натиск, літачок тримався разом, але ледь-ледь.

«Під час входження в атмосферу очікується горіння або піроліз», дійшли висновку автори. По суті, це була подорож в один кінець.

Ідея може здатися химерною, але цей крихітний експеримент має більш вагомі наслідки.

По-перше, це стійкість. В епоху, коли космічне сміття переповнює низьку навколоземну орбіту, а мегасузір'я супутників множаться, дослідники відзначають зростаючий інтерес до використання органічних, біорозкладних матеріалів для космічних місій. Папір, переважно рослинного походження, міг би запропонувати чистіший спосіб утилізації легких об'єктів або компонентів через пасивне повернення в атмосферу. Японія, наприклад, запустила в космос працюючий дерев'яний супутник, який працював 116 днів. Незабаром планується запуск другої, покращеної версії.

Більш практично, швидкий спуск паперового літачка робить його чутливим зондом для вивчення верхніх шарів атмосфери, якщо його обладнати крихітними датчиками. Через свою малу масу та велику площу поверхні його траєкторія дуже чутлива до невеликих змін густини повітря — інформації, яку все ще важко збирати на висотах між 200 та 300 кілометрами.

«Сильна чутливість паперового космічного літака до аеродинамічного опору… свідчить про те, що його можна використовувати як пасивний зонд для вимірювання густини атмосфери», пишуть автори.

Зрештою, космічний літачок-орігамі робить саме те, чого можна очікувати від чогось, зробленого з канцелярських приладів і кинутого в атмосферу Землі: він згоряє.

Але по дорозі він навчає нас чомусь новому. Не лише про аеродинаміку чи орбітальний розпад, але й про творчість, стійкість та дух наукової цікавості.

Дослідження було опубліковано в журналі Acta Astronautica. Вчені зазначають, що хоча експеримент може здатися забавкою, він відкриває нові можливості для розуміння поведінки легких об'єктів в космосі та їх взаємодії з атмосферою Землі. Результати можуть бути корисними для розробки майбутніх космічних місій, особливо тих, що стосуються екологічно чистих технологій та дослідження верхніх шарів атмосфери.