Физики объяснили радиальные полосы вокруг посадочных модулей на Луне. Причиной оказалась неустойчивость Гёртлера

Физики из США изучили следы, которые оставили спускаемые космические аппараты на Луне, и выяснили, почему эти узоры оказались практически идентичными. Все дело в гидродинамической неустойчивости, возникающей из-за искривления сжатого сдвигового слоя в сверхзвуковой струе — образовавшиеся в потоке вихри Гёртлера заставили пыль двигаться вдоль радиусов с центром в точке касания. Выводы исследователей помогут оптимизировать стратегию прилунения будущих миссий, а также снизить воздействие пылевых облаков на оборудование. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Начиная с аппарата «Луна-9» и заканчивая «Чанъэ-6», во время мягкой посадки космических станций на лунную поверхность ученые наблюдали в пыли четкий рисунок из радиальных светлых и темных полос, исходящих из точки касания выхлопной струи. Несмотря на разное строение сопла, массу полезной нагрузки и отличающиеся типы грунта в области посадки, узоры выглядели похоже, а количество полос отличалось слабо (например, около 30 для «Чанъэ-6» и примерно 70 для «Аполлона-15»). Однако причину этого явления ученые до сих пор не нашли.

Руй Ни (Rui Ni) из Университета Джонса Хопкинса совместно с коллегами из США показали, что радиальные полосы, наблюдаемые во время посадки на Луну, возникают из-за неустойчивости газового потока, которая порождает вихри в выхлопной струе.

Сначала физики собрали экспериментальную установку: на плоскую поверхность насыпали монодисперсный песок со средним диаметром частиц в 150 микрометров, а сверху расположили модель двигателя лунного посадочного модуля. Этот макет обеспечил необходимое число Маха в 5,3, которое соответствовало реальным условиям высадки. В ходе эксперимента авторы работы меняли отношение диаметра сопла к высоте его расположения от 3 до 13 единиц и засняли поведение пыли на камеру.

Физики заметили, что полосы в песке были слегка приподняты над плоскостью. Это позволило ученым предположить, что узоры в пыли сформировались не из-за шероховатости поверхности, а вследствие переноса массы под действием газовых потоков. После численного анализа исследователи обнаружили, что количество полос оказалось прямо пропорционально отношению давления в струе к давлению окружающей среды (в гидродинамике этот параметр также отвечает за структуру ударных волн в недорасширенных струях). Главной причиной такого явления стали вихри Гёртлера, образовавшиеся благодаря тому, что градиент давления не уравновесил центробежные силы внутри искривленного сжатого сдвигового слоя в струе. Вместе с тем обнаруженные вихри попарно вращались в противоположных направлениях, увлекая за собой пыль и образуя своеобразные валы. Свои выводы физики также подтвердили с помощью численного моделирования, решив трехмерные уравнения Навье — Стокса для вязкого сжимаемого газа.

Авторы работы отметили, что их исследование позволит в будущем более точно оптимизировать процесс посадки на лунную поверхность, а также минимизировать негативное воздействие пылевых облаков на оборудование космических аппаратов.

О первых результатах лабораторных исследований грунта с обратной стороны Луны мы писали ранее.

Источник