Може ли хартиено самолетче, хвърлено от Международната космическа станция, да оцелее по време на полета?

Понякога възникват фундаментални въпроси, на които човек иска да намери отговор, като например: „Какъв е смисълът на съществуването?“, „Сами ли сме във Вселената?“ или „Какво ще се случи, ако хвърлиш хартиен самолет от Международната космическа станция?“

За щастие, на третия от тях най-накрая беше намерен отговор, защото в крайна сметка, някой все щеше да го направи.

В нова статия на Максимилиан Берте и Коджиро Сузуки от Токийския университет се разглежда „динамиката на космически самолет оригами по време на връщане в земната атмосфера“ (the dynamics of an origami space plane during Earth atmospheric reentry) – с други думи, какво ще се случи, когато хвърлите хартиен самолет от Международната космическа станция.

Първо, нека разгледаме някои технически концепции, които са необходими за разбирането на тази на пръв поглед простичка задача.

На японски език „оригами“ буквално означава сгъната хартия, като в случая авторите са решили да направят своя хартиен самолет от стандартен бял лист А4. Крайният резултат прилича на нещо, което би измислил някой третокласник, за да подразни приятеля си, седящ пред него в класа, но с много по-аеродинамично оформление.

След като софтуерният модел беше направен, настъпи моментът за неговото изпробване. МКС обикаля на височина около 400 километра, така че авторите решават да пуснат самолета от тази височина и със скорост, подобна на тази на самата МКС – 7800 метра в секунда.

Тази скорост изглежда, че би разрушила всеки самолет, направен от хартия, но на височина 400 км атмосферата не е достатъчно плътна, за да нанесе големи щети… засега.

Всъщност това е валидно за по-голямата част от спускането обратно към земята. От 400 км надолу до около 120 км височина самолетът остава сравнително стабилен, като се има предвид липсата на въздух.

Въпреки това самолетът ще се снижава много бързо поради ниския си балистичен коефициент, който е мярка за това колко добре може да преодолее съпротивлението на въздуха. С ниския си балистичен коефициент самолетът бързо ще се забавя, като се спуска до 120 км за около 3,5 дни.

От друга страна, ниският балистичен коефициент означава, че след като самолетът навлезе в атмосферата, той всъщност ще има по- малка терминална скорост от например една оръдейна топка.

За съжаление той не стига толкова далеч, тъй като според симулациите на височина около 120 км повишената плътност на въздуха предизвиква неконтролируемо падане, което по същество изпраща самолета в неконтролируема траектория на полета, позната на всеки, който някога е правил подобен самолет.

Но защо да се ограничаваме само със симулации, след като имаме докторска степен по аерокосмическо инженерство и можем да направим хартиен самолет за нуждите на науката? И защо просто да го конструирате, когато можете да го тествате в свръхмодерен аеродинамичен тунел в кампуса на вашия университет?

Отговорът е, че няма причина за подобно ограничение – ето защо авторите са създали реален модел на хартиен самолет (разбира се, с алуминиева опашка) и са го поставили в хиперзвуковия и високоинтензивен въздушен тунел „Кашива“ в Токийския университет, за да видят на какви аеродинамични сили може да издържи техният хартиен самолет.

Техният хартиен модел на самолет е подложен на вятър от 7 Мах в продължение на 7 секунди, подобно на силите, които се изпитват при реално навлизане в атмосферата. Това, без да е неочаквано, огъна носа на хартиения самолет назад, но за негова чест той не се разпада – поне не и за това кратко време.

Освен това по носа и върховете на крилата се забелязват следи от овъгляване, което показва, че ако експериментът беше продължил по-дълго, хартиеният самолет щеше да изгори.

В крайна сметка доказването на това, което би се случило, беше една от целите на този експеримент. Съществуват много мисии, които потенциално биха могли да използват нещо подобно на този модел на хартиено самолетче – на първо място идва експериментът LEAVES за изследване на Венера, но също така има и много наблюдения на Земята, които биха имали полза от лека, стабилна платформа, от която да се събират данни, докато изгорят напълно в атмосферата в края на живота си.

Организирането на подобна мисия би изисквало електроника и множество други допълнителни устройства, които биха усложнили чистотата на тестването на един прост хартиен самолет, който едно дете би могло да направи в клас.

Понякога обаче науката е колкото вдъхновение, толкова и изследване, а резултатите в този труд са чудесна комбинация от двете.