Летательный аппарат дальнего действия для исследования Марса

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-49-02047

НазваниеЛетательный аппарат дальнего действия для исследования Марса

Руководитель Стрелец Дмитрий Юрьевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №63 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DST)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-104 - Движение объектов и аппаратов в различных средах

Ключевые слова Исследование Марса, микро- летательные аппараты, самолет с неподвижным крылом, экологически чистые силовые установки

Код ГРНТИ73.37.63

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Марс является одним из наиболее изученных небесных тел после Земли и Луны. Эта планета привлекает интерес с целью поиска на ней признаков жизни и как возможное место для размещения долгосрочной человеческой колонии. Ввиду очень медленной эрозии, тонкой атмосферы без осадков и давно прекратившейся геологической активности, Марс довольно легко исследуется как с орбиты, так и на поверхности, являясь тем самым отличным образцом для изучения истории Солнечной системы. Более того, уже найдены убедительные доказательства того, что Марс когда-то был очень похож на нынешнюю Землю. Это привело к гипотезе о прошлом существовании хотя бы примитивных форм жизни. Обнаружение древней жизни на Марсе будет иметь глубокое научное, философское и социальное значение, поскольку это будет означать, что жизнь – довольно не единичное явление в нашей Вселенной. Несмотря на десятки орбитальных и марсоходных миссий разных государств, на сегодняшний день никаких признаков древней формы жизни не было обнаружено. Однако, с каждой миссией и с появлением новых данных, гипотеза о марсианской жизни становится все более убедительной, а условия на планете представляются все более подходящими для долгосрочной человеческой колонии. Например, на планете найдены подземные пещерные системы с умеренными температурами и глубинные кратеры с атмосферным давлением, достаточно высоким для того, чтобы нестабильная жидкая вода могла течь, хотя бы кратковременно. Необходимы дальнейшие миссии с целью исследования именно таких уголков, расположенных в основном в южном полушарии планеты. Примером может служить кратер «Эллада Планиция» – древнее озеро шириной 2300 км, где глубина дна составляет почти 7 км. Учитывая, что участки стоячей воды имели на Земле решающее значение для эволюции жизни, изучение дна данного древнего озера является крайне актуальным. Кроме того, учитывая самую большую глубину под поверхностью планеты, кратер обеспечивает наиболее плотную атмосферу, оптимальную для пилотируемой экспедиции в будущем. Гигантские размеры кратера наряду с относительно неровной поверхностью дна, крайне ограничили бы возможность его исследования планетоходами. Следовательно, необходимо изучить возможность полета в относительно плотной атмосфере «Эллады Планиции» небольшого летательного аппарата. Трудно переоценить влияние, который оказывал управляемый полет на человеческую цивилизацию в течение всего предыдущего столетия. Полет привел к беспрецедентным открытиям удаленных уголков нашей планеты, которые долгое время оставались скрытыми за природными ограждениями – горами, океанами, бескрайними пустынями и густыми лесами. Следует ли ожидать аналогичного всплеска географических открытий, если будущие исследовательские миссии на Марс будут включать в себя устойчивые полеты над большими территориями планеты? Несомненно, спутниковые изображения и орбитальное дистанционное зондирование уже предоставили большое количество деталей марсианской поверхности, что привело к выявлению областей, обладающих наилучшим потенциалом для обнаружения и/или поддержания жизни, включая упомянутый ранее кратер «Эллада Планиция». Однако, ускорить освоение таких крупных территорий, а также поддержать пилотируемую экспедицию в ближайшем будущем, можно только с помощью парка летательных аппаратов. Следовательно, необходимо использовать местную относительно плотную атмосферу для обеспечения управляемого полета с двигателем. Создание даже крошечного летательного аппарата для Марса требует гораздо больше усилий в области исследований и разработок, чем создание подобного на Земле, где воздух в 100 раз плотнее. Таким образом, необходимо разработать новые силовые установки, новые конструкционные материалы и даже изучить новые принципы полета. Менее месяца назад роботизированный вертолет NASA «Mars Ingenuity» продемонстрировал возможность полета в режиме зависания в марсианской атмосфере. Вскоре начнутся и запланированные полеты для сбора цветных стереоизображений исследуемого места, чтобы продемонстрировать ценность перспективы исследования с воздуха для будущих миссий. Учитывая, что в будущих миссиях потребуются летательные аппараты со значительно большей взлетной массой, скоростью полета и увеличенным радиусом действия, ожидается, что демонстрация осуществимости и целесообразности полета летательного аппарата с двигателем и неподвижным крылом станет первоочередной задачей для большинства миссий ближайшего будущего. Данные экспериментов в аэродинамической трубе Японского агентства аэрокосмических исследований в условиях, аналогичных марсианской атмосфере, уже продемонстрировали приемлемые аэродинамические характеристики крыльев различной геометрии при очень низких числах Рейнольдса и очень низких скоростных напорах. Множественные вычислительные эксперименты Индийского института технологии в Харагпуре, нацеленные на исследование полета микро- летательных аппаратов с различными формами крыла в плане при низких числах Рейнольдса, также продемонстрировали результаты, подтверждающие возможность полета с неподвижным крылом в атмосфере с низким давлением. Кроме того, полет самолетов на очень больших высотах в земной атмосфере также предоставил достаточно доказательств относительно минимальной плотности воздуха, необходимой для устойчивого полета с двигателем. Данный проект направлен на многодисциплинарное исследование возможности полета автономного летательного аппарата дальнего радиуса действия (ЛАДРС) для исследования Марса. В ходе исследований будут определены проектировочные параметры, геометрия крыла и минимальные потребные характеристики силовой установки, необходимые для устойчивого управляемого полета над кратером «Эллада Планиция», а также максимально достижимые взлетная масса и масса полезной нагрузки. Проектирование геометрии крыла, конструкции и оптимизация для условий марсианской атмосферы будет выполняться в 3 этапа. Расчеты с привлечением вычислительной гидродинамики (CFD), выполняемые на первом этапе, необходимы для сужения проектировочного пространства и определения основных направлений улучшения геометрии при различных условиях и сценариях выполнения задачи. Следующим этапом станет экспериментальная валидация результатов CFD-расчетов в условиях крейсерского полета. Будет выбрана, изготовлена и испытана оптимизированная геометрия модели крыла в аэродинамических трубах Московского авиационного института и Индийского института в Харагпуре. На заключительном этапе будет смоделирован полет полномасштабного ЛАДРС, где будут интегрированы в полученную ранее геометрию крыла: солнечные панели, покрывающие большую часть верхней поверхности крыла, доступную или ожидаемую двигательную установку, центральный фюзеляж с контейнерами, имитирующими системы управления и авионики, а также полезная нагрузка в виде исследовательского оборудования. Аэродинамические и весовые характеристики полномасштабного ЛАДРС будут оцениваться в рамках проанализированных ранее сценариев выполнения миссий.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Гуереш Д., Карпович Е., Пикулев М., Кузнецов А., Попов С., Синха М. Experimental and CFD Investigation of Directional Stability of a Box‐Wing Aircraft Concept MDPI Fluids, Fluids 2022, 7, 340 (год публикации - 2022)
10.3390/fluids7110340

2. Стрелец Д.Ю., Пархаев Е.С., Февральских А.В., Гуереш Д., Дас Д. Airfoil optimization methodology and CFD validation for Mars atmospheric conditions Aerospace Systems, AS (2022), https://doi.org/10.1007/s42401-022-00181-7 (год публикации - 2022)
10.1007/s42401-022-00181-7

3. Карпович Е.А., Гуереш Д., Хан В., Толкачев М.А. Концепции беспилотного самолета для исследования Марса Вестник Московского авиационного института, 2022. Т. 29. №4. С. 186-197. (год публикации - 2022)
10.34759/vst-2022-4-186-97

4. Карпович Е.А., Гуереш Д. Беспилотный самолет нормальной схемы на солнечных батареях для исследования Марса: параметрические исследования «Известия вузов. Авиационная техника» ("Russian Aeronautics") (год публикации - 2023)

5. Карпович Е.А., Комбаев Т.Ш., Гуереш Д., Евдокимова Д.Г., Александров К.В. Long-Endurance Mars Exploration Flying Vehicle: A Project Brief MDPI Aerospace, Aerospace 2023, 10(11), 965 (год публикации - 2023)
10.3390/aerospace10110965

6. Карпович Е.А., Комбаев Т.Ш., Гуереш Д., Стрелец Д.Ю. Rocket-Based Versus Solar Wing-Tail Martian UAVs: Design, Analysis, and Trade Studies Aerospace Systems, Aerospace Systems, ASST-D-23-00123 (год публикации - 2023)

7. Гуереш Джахид, Кулаков Иван Феликсович, Толкачев Михаил Андреевич Беспилотный самолет коробчатой схемы крыла для исследования атмосферы марса Вестник Московского авиационного института, Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 4 (год публикации - 2023)

8. Гуереш Джахид, Комбаев Тимур Шикурович, Рыманова Анастасия Николаевна Аэродинамический расчет и разработка конструктивно-силовой схемы крыла самолета для исследования Марса Вестник Московского авиационного института, Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31 (год публикации - 2024)

9. Карпович Е.А., Комбаев Т.Ш. Enhancing the airfoil performance for a fixed-wing Martian aircraft Springer Aerospace Systems (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1007/s42401-024-00329-7

10. Карпович Е.А., Комбаев Т.Ш., Форштер Е.Б. Каким может быть первый крылатый исследователь Красной планеты? Земля и Вселенная, 1, стр. 56-69 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.7868/50044394824010055

11. Гуереш Д., Альбитар Д., Федоров К.Ф., Ян И. Multi-modular UAV for Mars exploration: a concept feasibility study Chinese Journal of Aeronautics (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Главными целями работы в 2024 году были: (1) доработка программы для проектирования и расчета БПЛА, (2) создание и подготовка к испытаниям базовой летающай модели – демонстратора технологий, (3) анализ возможности доставки БПЛА на Марс с использованием попутного пуска и (4) определение концепций радиосвязи БПЛА на Марсе и на Земле. В настоящий момент: (1) программа, разработанная в рамках проекта, включает два новых модуля оптимизации (для профилей и винтов), (2) летающая модель построена и готова к испытаниям, (3) оценены параметры миссии с использованием попутного пуска и (4) осуществлен расчет радиолиний. (5) проработана альтернативная концепция БПЛА в виде многомодульной системы. В дополнение к базовой модели была построена небольшая модель для отработки автопилота. Эта модель в данный момент проходит летные испытания. Был оценен коммерческий потенциал проекта для решения задач на Земле. Наконец, для испытаний оптимизированных винтов была спроектирована небольшая аэродинамическая труба. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Проектирование и сертификация авиационной техники» МАИ. После прохождения экспертизы материалы проекта также публикуются на сайте проекта https://www.lemfev.com/. В течение года мы приняли участие в шести конференциях, в круглом столе «Воздушно-орбитальные и аэростатические летательные аппараты» в рамках Космического фестиваля в г. Калуге, опубликовали две статьи в научных журналах и одну статью в научно-популярном журнале «Земля и Вселенная». Еще две статьи в данный момент находятся на рецензировании. Мы планируем продолжать работу над проектом – провести полный цикл летных испытаний базовой модели на малой и на большой высоте, и по результатам летной работы построить вторую, улучшенную версию демонстратора технологий.

Публикации

Возможность практического использования результатов
В данный момент результаты работы над проектом (разработанные математические модели, разработанная программа, опыт масштабирования, проектирования, изготовления и испытаний летающих моделей) применяются в учебном процессе на кафедре "Проектирование и сертификация авиационной техники" в МАИ, на следующих курсах: 1) Общее и аэродинамическое проектирование БЛА самолетного, мультироторного и конвертопланного типов (курс для магистров второго года обучения, включающий семинары и лабораторные занятия) 2) Научный семинар по авиастроению (курс для магистров второго года обучения) 3) Современные тенденции в проектировании ЛА, инструменты синтеза и анализа проектных решений (курс для аспирантов второго года обучения) Результаты работы оказались полезными при реализации ДПО "Специалист по проектированию конструкций (узлов, механизмов, компоновки) БВС" в МАИ. Теоретические результаты проекта будут служить научным заделом для дальнейшей проработки аппаратов с фиксированным крылом для полета в разреженной атмосфере (на Земле и других планетах). Практические результаты - разработанная программа, спроектированная труба для воздушных винтов, построенные летающие модели - позволят осуществлять проектную инженерную и исследовательскую работу на более высоком научном и техническом уравне, и могут быть полезны как для студентов и сотрудников МАИ, так и для авиационных инженеров.