Математические модели помогают учёным МАИ искать оптимальный облик марсианского беспилотника

Как создать беспилотный самолёт, компоновка которого обеспечит выполнение научных задач на Красной планете, где условия существенно отличаются от земных? Здесь на помощь проектировщикам приходят методы математического моделирования. Об этом рассказывает участник проекта по созданию беспилотного летательного аппарата для Марса, научный сотрудник МАИ, кандидат технических наук Елена Карпович.

Исследования Красной планеты ведутся столетия, и со временем учёные разрабатывают всё новые подходы для получения более полного представления о Марсе. Сначала за Марсом наблюдали в телескопы, затем исследовали с пролетающих мимо автоматических космических аппаратов, затем наступила эра марсоходов. Революционным скачком стал первый полёт на Марсе вертолёта Ingenuity: управляемый с Земли «малыш» массой около 1 кг, начинённый электроникой, которую можно купить в магазине, сумел значительно расширить ареал исследований Красной планеты по сравнению с традиционными марсоходами. За 3 года он пролетел 17 км, тогда как марсоход Opportunity за 15 лет — не более 50 км.

Теперь на очереди стоят марсианские беспилотные самолёты, которые позволят в разы увеличить охват исследований и полезную нагрузку на борту. Такой проект разрабатывают учёные МАИ.

— Для того, чтобы определить оптимальную конфигурацию беспилотного самолёта, мы использовали методы математического моделирования. Атмосфера на Марсе не похожа на земную, и расчётные методы помогают нам достичь результатов даже там, где у нас нет возможности воспользоваться экспериментальными данными, — отмечает Елена Карпович.

Поскольку марсианская авиация — направление в науке новое, от разработчиков требуется применение нестандартных подходов. Для решения поставленных задач команда проекта работает над программой, которая состоит из нескольких модулей, позволяющих проводить расчёты для различных аэродинамических схем БЛА. Уже сейчас программа позволяет учёным рассчитать несколько компоновок беспилотного летательного аппарата, в том числе традиционную (с консольным крылом, фюзеляжем и хвостовым оперением) и так называемую коробчатую схему — с ракетным двигателем и с электрической силовой установкой.

— Наша программа позволяет определить внешний облик и размеры, а также базовую аэродинамику и основные характеристики самолёта. В структуру программы включены скрипты, которые оптимизируют под рассчитанные условия полёта аэродинамический профиль крыла аппарата и его воздушный винт, рассчитывают энергобаланс для электрического самолёта или расход топлива для ракетного самолёта, оценивают лётно-технические характеристики БЛА, например, на какую высоту он сможет подняться на вертикальном режиме или на какую максимальную дальность он сможет полететь на высоте, скажем, 25 метров, — говорит участник проекта.

Расчёты показали, что одна из возможных компоновок марсианского БЛА — это самолёт коробчатой схемы вертикального взлёта и посадки, без фюзеляжа и управляющих поверхностей, с распределённой силовой установкой для обеспечения тяги, управления и балансировки. Такая конфигурация позволит ему иметь дальность полёта более 70 км при полёте на высоте 15 м и скорости около 50 м/с с массой полезной нагрузки около 500 г. Но самое главное — обходиться без взлётно-посадочной полосы, которой на Марсе нет. Это делает самолётный БЛА многоразовым.

— Для меня программирование — это один из самых творческих видов работы. Программирование затягивает настолько, что я могу сесть за компьютер в 9 утра и только в 4 вечера встать из-за стола. Эта работа, которая требует стопроцентной концентрации внимания, поскольку так много деталей надо одновременно держать в голове. Интересно, что результат — работающий скрипт — приносит тем больше удовольствия, чем больше времени и усилий я вкладываю в его создание и отработку, — поделилась впечатлением Елена Карпович.

В данный момент команда готовит к испытаниям первую лётную модель беспилотника. В соответствии с условиями гранта РНФ, к концу 2024 г. должен быть изготовлен демонстратор технологий, на котором учёным из МАИ предстоит отработать основные технические решения, связанные с марсианским самолётом.

Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России.