Шероховатость, которая решает судьбу полёта экспресс
Летящий на шести скоростях звука тупой цилиндр — не самый изящный объект, но именно он стал главным героем нового расчёта. Поверхность такого аппарата не бывает идеально гладкой: при входе в атмосферу теплозащита обгорает, появляются бугорки и впадины. Как эти неровности превращают спокойный поток в бурную турбулентность, до сих пор было видно только в отдельных экспериментах и почти не поддавалось точному моделированию. Теперь учёные впервые провели детальный численный эксперимент, расставив на цилиндре ряды искусственных песчинок — как на наждачной бумаге.
Выяснилось, что судьбу полёта решает узор из неровностей. Когда песчинки стояли ровными рядами, переход к турбулентности начинался с извилистых полос — поток сам себя раскачивал, как флаг на ветру. А если ряды сдвигали в шахматном порядке или расставляли случайно, первыми просыпались волны, похожие на морскую зыбь, — они накатывали на неровности и усиливались. Оба механизма в конце концов рождали вихри, похожие на шпильки для волос, и поток срывался в хаос.
Для инженеров это значит: меняя расположение неровностей на теплозащите, можно отодвигать или приближать момент перехода к турбулентности. А от этого зависит, насколько сильно нагреется аппарат при входе в атмосферу. Возможно, когда-нибудь поверхность космических кораблей будут специально делать не идеально гладкой, а с хитрым узором, который держит поток спокойным как можно дольше.
Высота неровностей в расчёте была всего около трети толщины пограничного слоя — это как бугорки в доли миллиметра на поверхности мяча для гольфа. Именно такие крошечные детали решают, станет ли поток турбулентным.
В фильме «Марсианин» теплозащитный экран корабля «Гермес» выглядит идеально гладким, но в реальности его поверхность после входа в атмосферу покрыта тысячами неровностей — и именно они могли бы управлять переходом к турбулентности.