Звук в космосе

Игорь Есипов «Квант» №11, 2019

Как известно, особенность звуковых волн, которая отличает их от электромагнитных или гравитационных, заключается в том, что они могут распространяться только в сплошной упругой среде. В космосе царит пустота. Типичная плотность вещества в межзвездном пространстве составляет порядка 106-107 атомов (в основном водорода) на кубический метр при температуре T = 2,7 К (это примерно -270 ° C). Средняя квадратичная скорость этих атомов согласно соответствующим законам молекулярной физики определяется выражением (v_ {cf} = sqrt {3RT / M} ), где R = 8,3 Дж / (моль град.) газовая постоянная, М — молярная масса. Для атомарного водорода M = 10-3 кг / моль. Следовательно, для атомов водорода в межзвездном пространстве эффективная скорость будет около 250 м / с.

В этих условиях атом водорода сталкивается с другим атомом примерно раз в несколько миллиардов секунд, например, частота столкновений ν ∼ 3 · 10−10 с — 1, пройдя расстояние от столкновения до столкновения λ = vav / ν ∼ 109 км (среднее свободное маршрут) — один миллиард километров. Предполагая, что длина звуковой волны, очевидно, должна быть больше, чем средняя длина свободного пробега в веществе, и что частота звука меньше, чем частота столкновений атомов, мы находим, что этот звук будет иметь частоту колебаний менее одной миллиардной секунды (менее 10–9 Гц).

Такой звук не воспринимается человеческим слухом, который характеризуется диапазоном частот 20-20 000 Гц. Однако Вселенная огромна в космосе (около 46 миллиардов световых лет или 43 1022 км) и довольно устарела около 14 миллиардов лет), так что звук имеет возможность появляться в разных местах Вселенной на разных этапах своего развития. Кроме того, звук также является очень полезным инструментом для исследования Вселенной.

Звук на Земле

Как известно, звук — один из самых распространенных способов общения между животными и людьми. Однако, что более важно, звук также является отличным инструментом для дистанционного зондирования окружающей среды, атмосферы, океана и структуры нашей планеты.

Во-первых, давайте кратко рассмотрим, как мы изучаем звук на Земле. Гравитация Земли создала слоистую структуру атмосферы, океана и коры. Следовательно, на Земле существуют условия для существования звуковых каналов, по которым звук может распространяться на огромные расстояния без значительного затухания. Скорость звука увеличивается с температурой, в зависимости от скорости ветра в атмосфере или течения в океане. В земной коре скорость звука зависит от плотности и структуры вещества, что позволяет сейсмологам находить подземные месторождения полезных ископаемых. Путешествуя по океану на большие расстояния, звук чувствителен к небольшим изменениям средней температуры океана, что может быть критерием глобального потепления (рис. 1). Множественные пересекающиеся акустические пути используются для акустической томографии, которая обеспечивает четырехмерные изображения океанских процессов (трехмерное пространство плюс время).

Рис. 1. Схема акустической термометрии в Тихом океане (ATOS — акустическая термометрия океанического климата). Время распространения звука измеряется на больших расстояниях между Гавайями, Алеутскими островами и Калифорнией. На этот раз это зависит от температуры окружающей среды

У нас есть широкий спектр акустических методов и инструментов для изучения структуры земной коры, океана и атмосферы здесь, на Земле. И естественно возникает вопрос: можем ли мы взять их в космос для исследований на других планетах? Ответить на этот вопрос непросто. Исследование космоса имеет ряд существенных ограничений, которые необходимо соблюдать, и не все известные нам методы, используемые на Земле, соответствуют этим ограничениям.

Первый и, возможно, самый строгий предел — это вес полезной нагрузки. Доставка оборудования в космос обходится дорого, и многие акустические методы (особенно с использованием низкочастотных источников звука) требуют тяжелого оборудования. Во-вторых, есть ограничения по энергопотреблению оборудования. В космосе необходимо полагаться на тяжелые батареи или солнечные панели для подачи электроэнергии на приборы, снятые во время космического полета. В-третьих, существует конкуренция в исследованиях, использующих разные методы. Электромагнитные и гравитационные волны не требуют наличия упругой среды для распространения и поэтому могут использоваться для дистанционного зондирования, в отличие от акустических методов, которые требуют установки измерительных приборов на планете. Следовательно, акустические методы могут быть полезны там, где им нет конкуренции. Это, прежде всего, изучение электропроводящих средств: плазмы, океанов, внутреннего строения планет, куда не проникают электромагнитные волны. Наконец, необходимо принять во внимание, что акустические методы не обязательно имеют такую ​​же эффективность на других планетах, о которых мы знаем на Земле. Эффективность акустических методов зависит от состояния среды, в которой они используются, а давление, температура, плотность и химический состав других миров, как правило, сильно отличаются от того, к чему мы привыкли здесь, на Земле.

В связи с этим важно понимать, как акустические методы уже используются в космосе и какие результаты достигаются с их помощью.

Как опереться на разреженный воздух

Но вернемся к Марсу. Такие атмосферные условия существуют на всех планетах с более плотной атмосферой — на Венере и на Земле — только на больших высотах. И овладение сверхвысоким диапазоном может быть очень полезным.

Транспортное средство, о котором мы говорим, настолько редкое, что обычный поток не создает достаточных аэродинамических сил, чтобы выдержать вес транспортного средства. Эта проблема решается сверхзвуковым движением. Сверхзвуковой самолет, летящий высоко в разреженной стратосфере Земли, где плотность воздуха в двадцать раз ниже, чем у поверхности, из-за своей скорости сжимает воздух, обтекающий его. Это дает самолету достаточную подъемную силу.

Воздух становится плотным непосредственно на аэродинамических поверхностях, окутывая их тонким, многократно сжимаемым движущимся слоем. Это связано с газодинамическим ударным сжатием, создаваемым сверхзвуковыми ударными волнами. Они возникают в сверхзвуковом потоке, поступающем по фронтам и краям летающей конструкции. Сжатый воздух течет по поверхности сжатого аппарата — он не успевает расшириться из-за скорости происходящего. Осталось заменить обтекание под небольшим углом в нижней части корпуса или нижней поверхности крыла, получив на них сжатый поток. И чтобы собрать на этой поверхности комбинированное давление в подъемной силе. Так он может создать сверхзвуковой подъемник и лопасть вертолета.

Марс

Чтобы быть услышанным на Марсе (с учетом того, что вы там находитесь), придется постараться. Атмосфера этой планеты на 95% состоит из углекислого газа, молекулы которого отлично поглощают вибрации. Поэтому даже самые мощные колонки вряд ли помогут — на расстоянии 10 метров звук будет еле слышен. Кроме того, особый холодный воздух сделает ваш голос низким и хриплым.

Стоимость программы обошлась космическому агентству в 480 миллионов долларов, а сама миссия рассчитана на 720 дней.

В 1976 году космический аппарат НАСА «Викинг-1» сделал фотографии поверхности Марса. Сегодня, четыре десятилетия спустя, агентство выпустило первый звук, когда-либо записанный на поверхности красной планеты.

«Запись этого звука была незапланированным удовольствием», — сказал Брюс Банердт из Лаборатории реактивного движения НАСА. «Одна из целей миссии InSight — измерить движение на Марсе, и, конечно же, это включает движение, вызванное звуковыми волнами».

«Посадочный модуль использует самые современные инструменты, чтобы копать глубже на поверхности и находить следы процессов, которые сформировали планету», — пишет НАСА на своем веб-сайте. «Это достигается путем измерения« показателей жизнедеятельности »планеты: ее« частоты сердечных сокращений »(сейсмология),« температуры »(теплового потока) и« отражений »(точного мониторинга)».

Это не первая попытка НАСА записать звуки на поверхности Марса. Марсианский полярный посадочный модуль был оборудован микрофоном, но в 1999 году он врезался в планету из-за слишком раннего выключения двигателей. Feniks Lander удалось приземлиться в 2008 году, но НАСА решило не использовать камеру или микрофон корабля после крушения миссии.

НАСА планирует записать больше звуков с красной планеты в рамках миссии Марс 2020. Этот спускаемый аппарат будет оснащен двумя микрофонами, которые, среди прочего, будут слушать, что происходит, когда корабль направляет лазер на камни на поверхности.

Когда это происходит, части породы испаряются, вызывая ударную волну, издающую потрескивающий звук. Шумы, создаваемые этими взаимодействиями, могут помочь ученым определить массу и состав камней. Другими словами, микрофоны дают ученым еще один «смысл», который можно использовать во время экспериментов на поверхности Марса.

Кроме того, продолжается волна хороших новостей о работе над второй частью проекта Exomars-2018, в котором Роскосмос будет играть ведущую роль как организация, которая самостоятельно доставит на поверхность Марса новый марсоход, разработанный ЕКА посадочного модуля, и не ограничится участием в разработке орбитального модуля, его научной загрузки и поставкой готовой РКН с РБ для запуска.

В Институте космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) состоялась первая рабочая встреча, посвященная научным экспериментам на посадочной платформе проекта ExoMars-2018. Участвовали российские и зарубежные разработчики инструментов, которые должны быть установлены на платформе.

Утвержденный перечень научного оборудования включает 13 приборов (в том числе комплекс фотоаппаратов и электронный блок, которые также выполняют служебные функции), общей массой 45 кг. Большинство приборов производится в России в сотрудничестве с зарубежными организациями, два эксперимента представляют собой вклад Европейского космического агентства. В 2016 году должны быть реализованы габаритные весовые и отчасти технологические модели устройств.

С помощью комплекса научного оборудования в рамках миссии ExoMars-2018 планируется решить следующие задачи:

— фотосъемка на месте посадки,

— долгосрочный мониторинг климата и атмосферные исследования,

— исследование распределения грунтовых вод на месте посадки,

— циркуляция летучих веществ между почвой и атмосферой,

— мониторинг радиационной обстановки,

— геофизические исследования внутреннего строения Марса.

К настоящему времени конструкция посадочной платформы уже прошла этап защиты проекта, и началась фаза разработки проектной документации их НПО. С.А. Лавочкин активно сотрудничает с Thales Alenia Space Corporation (TAS), ведущим европейским разработчиком проекта по созданию летного модуля для доставки посадочной платформы (разработки Научно-производственного объединения им. Лавочкина) на Марс.

Ракетные сани оснащены четырьмя двигателями, которые дают всей конструкции достаточное ускорение для проверки прочности парашюта диаметром более 33 м. Данные, полученные исследователями в ходе таких испытаний, позволяют им улучшить конструкцию парашюта что однажды придется открыть поверхность Марса и замедлить корабль со скорости примерно 490 м / с (что вдвое превышает скорость звука в марсианской атмосфере) до менее 80 м / с.

До сих пор НАСА довольствовалось технологиями 1970-х годов, разработанными по программе «». Однако, если на поверхность Красной планеты запустят что-то крупнее 900 килограммов Curiosity, старых разработок уже будет недостаточно. НАСА прогнозирует, что во время пилотируемого полета на Марс масса спускаемого аппарата составит около 40 тонн. Для его безопасной посадки нужны новые технологии.

Одна из главных проблем заключается в том, что тонкая атмосфера Марса не успеет заполнить огромный парашют, чтобы тяжелый аппарат не упал на поверхность планеты. Поэтому НАСА разрабатывает «Сверхзвуковые системы замедления низкой плотности» (LDSD). Это жесткие надувные конструкции, нечто среднее между парашютом и воздушным шаром, которые увеличивают аэродинамическое сопротивление, замедляют движение аппарата и выдерживают большие нагрузки при торможении со сверхзвуковых скоростей.

Титан

Этот спутник Сатурна, по мнению ученых, очень похож на Землю. Однако газовая смесь в атмосфере Титана имеет плотность на 50% выше, чем наша. Густой и холодный воздух повлияет на голосовые связки и скорость звука: голос станет глубже и пронзительнее. Из-за обилия газообразного азота высокие звуки будут лучше распространяться по мере продвижения.

Венера

«Густая» атмосфера Венеры, похожая на суп-пюре, понижает человеческий голос примерно на полоктавы. В то же время звуковые волны в «тумане» Венеры распространяются довольно быстро. В результате голос стал резким, странным и напоминал шарлатана Дональда Дака.

Исследование Луны

Рис. 2. Приземляется лунная станция «Луна-16

Начало инструментальных исследований Луны можно отнести к 1959 году, когда искусственный прибор впервые достиг поверхности естественного спутника Земли. Это была советская станция «Луна-2». В 1969 году американский космический корабль «Аполлон-11» совершил первую экспедицию на Луну. Эта и последующие экспедиции (последняя из которых — полет космического корабля «Аполлон-17» в 1972 году) позволили провести серию наблюдений на Луне и доставить на Землю образцы лунного грунта. В то же время в СССР была запущена серия автоматических лунных станций (Луна-16 в 1970 году и последняя Луна-24 в 1976 году), которые также исследовали Луну и доставляли лунный грунт на Землю (рис. 2).

Автоматические лунные станции доставили к земным ядрам лунного реголита, полученному в результате бурения на глубине более 2 метров. Для обеспечения такой перфорации и получения неповрежденного керна использовалось дополнительное ультразвуковое возмущение сверла. Эта ультразвуковая технология лунного бурения привела к получению высококачественных образцов колонкового бурения, которые показали структуру лунного реголита. Анализ результатов этих полетов впервые убедительно свидетельствует о наличии воды на Луне. Намного позже, в 1990-е годы, американцы смогли добиться аналогичных результатов. В структуре лунного грунта была обнаружена вода!

В ходе исследований в рамках программы Apollo были измерены различные физические поля на поверхности Луны, но акустическим методом было получено достаточно подробное изображение внутренней структуры Луны. Акустические сигналы могли генерироваться при обратном пуске ракеты или от естественных возмущений лунной поверхности (включая падающие метеориты). Сигналы, возбуждаемые на поверхности, распространяются вглубь Луны, где они рассеиваются и отражаются на внутренней структуре. С помощью линейки сейсмических приемников, установленных на поверхности Луны, акустические сигналы, распространяемые внутренней структурой, регистрировались и затем передавались по каналу радиосвязи на Землю.

Рис. 3. Внутреннее строение Луны

Стоит отметить, что хотя сейсмические эксперименты и другие эксперименты на Луне были прекращены в 1977 году, данные лунных сейсмических датчиков были переработаны в 2010 году с использованием современных вычислительных средств. Интересно, что эта обработка открыла новый аспект лунного ядра: твердое ядро, окруженное жидким внешним ядром, в свою очередь окруженное частично расплавленным слоем магмы (рис. 3).

Опыт сейсмических исследований на Луне находит успешное применение при изучении астероидов. Автоматическая станция устанавливает на поверхности астероида геофоны, которые регистрируют искусственные или естественные возмущения и их отражения от внутренней структуры.

Чисто марсианские вопросы

Марс — довольно пыльная планета. Плотность пылевых облаков в некоторые периоды может в два-три раза превышать плотность газовой атмосферы. Как это влияет на обтекание лопастей и аэродинамические силы? Будет ли пыль сливаться с воздушным потоком вокруг вращающихся лопастей или частично отделяться от него?

Вариант 1. Пыль и газ действуют как одна среда: вязкость и число Рейнольдса для этого размера частиц позволят пыли сливаться с атмосферой. Недаром пыль в этой атмосфере месяцами остается взвешенной, балансируя с ней. Так, при продувке таким потоком, уплотненным тонкой минеральной составляющей, аэродинамические силы увеличатся в несколько раз, а вместе с ними и подъемная сила. При значительном улучшении условий полета по энергии полета. Видимость (а значит, и навигация) составит несколько километров, чего хватит для коротких локальных перелетов на сотни метров.

Вариант 2. Пыль отделяется от газа за счет удара лопаток (скорость вращения которых делает их похожими на лопатки компрессора в авиационных двигателях). Появятся центробежные эффекты циклона. Тогда поток будет другим. Пыль в этом случае также может увеличить подъемную силу, частично из-за толчка вниз от удара лопасти в качестве реактивного компонента. Этот вариант менее вероятен, но его стоит оценить. А еще лучше измерить его на месте.

Поэтому крайне любопытно, какая телеметрия будет доступна по результатам полетов: по процессам на борту и по параметрам пропеллера, исходя из реальной динамики полета. Что будет измеряться в полетах и ​​передаваться на Землю?

Например, взаимодействие лопастей с атмосферой можно оценить по изменению эффективной скорости вращения ротора при номинальном токе в двигателе. Или увеличение энергопотребления с заданной скоростью. Анализ этих данных поможет исследовать динамику истинной марсианской атмосферы по отношению к спирали.

Конечно, наземные испытания покажут и температурные характеристики полетов. Интересно, как будет меняться плотность марсианского воздуха в зависимости от погоды и времени суток. Иногда ранним утром на поверхности Марса наблюдается перепад температур в 20 градусов на первом вертикальном метре. Начав в одном воздухе, Ingenuity окажется в другом воздухе после набора высоты. Это нужно будет учесть в технологии взлета.

Кроме того, пыль на Марсе иногда поднимается вихрями, когда утренний воздух нагревается. Станут ли солнечные элементы Ingenuity пыльными из-за потока пропеллера во время взлета и посадки? Многие вопросы, теперь чисто умозрительные, останутся без ответа, но приобретут новые нюансы после летных испытаний на реальном Марсе.

Земные примеры

На Земле дозвуковое течение в разреженном воздухе впервые реализовали высоколетящие реактивные самолеты — это сделал разведчик Lockheed U-2 с рабочим потолком 21,34 километра. На этом самолете пилот Джерри Хойт достиг рекордной высоты 22 475 метров. Советский дрейфующий аэростат-перехватчик М-17 «Мясищев», самолет начала 1980-х годов, и его последующая модификация М55 «Геофизика» поднялись на высоту 21,55 км.

Очень интересен стратосферный планер Airbus Perlan II. Он был построен для наблюдения за северным полярным вихрем и редчайшими стратосферными перламутровыми облаками на Земле, образованными гравитационными волнами (важно: из гидродинамики, а не из астрофизики!), Когда ветер обтекает горные хребты в полярной зоне. 9 сентября 2018 года этот самолет установил рекорд высоты для планера, поднявшись на высоту 23,2 километра, став самым высоким пилотируемым дозвуковым самолетом в мире. Его потенциал еще выше, потому что конструкторы определили его практическую крышу на высоте 27 километров.

Беспилотные автомобили стали еще больше с дозвуковым звуком. Один из них, Helios, разработанный для НАСА компанией AeroVironment, особенно интересен. Это летающее крыло, покрытое солнечными электрическими элементами, поднималось в воздух 14 электрическими винтами на передней кромке крыла. 13 августа 2001 года ее модификация Helios HP01 поднялась в воздух на высоте 29 524 метра — этот рекорд горизонтальной высоты для крылатых машин без реактивного двигателя остается в силе. Мы заинтересованы в этой записи, потому что Helios HP01 достиг «марсианской» атмосферы. Точнее, он мог летать с плотностью воздуха, соответствующей атмосфере Марса.

Неизвестно, будет ли дозвуковая технология преобладать на более высоких уровнях. На высоте 50 километров даже самые легкие углеродные структуры выйдут из строя в дозвуковом режиме. Дозвуковая аэродинамика навсегда уходит с авиационной арены. Только другие концепции полета смогут поддерживать аппарат на этих высотах и ​​выше в ионосфере.

Вертолеты наземного базирования никогда не достигали высот стратосферы.

Однако есть одно возможное исключение из этого тезиса: мировой рекорд высоты для вертолетов.

Он был установлен французским летчиком Жаном Буле 21 июня 1972 года. Вертолет SA.315B Lama французской компании Aérospatiale был разработан по заказу ВВС Индии как многоцелевой вертолет для операций в высокогорной местности. Гималаи. Чтобы облегчить конструкцию, они сняли с вертолета все, что могли, вплоть до второго сиденья, аккумуляторной батареи и стартера, отключив их сразу после запуска двигателя. Топливный бак был заменен на меньший и добавлено кислородное оборудование для пилота.

Буле набирал высоту с высокой скоростью, порядка километра в минуту, и сумел подняться на высоту 12 442 метра, где разрежение атмосферы привело к возгоранию и остановке двигателя. Не имея возможности запустить двигатель без снятого стартера и аккумуляторной батареи, Bule смог спуститься до скорости авторотации несущего винта и безопасно приземлиться, мгновенно установив рекорд по самому продолжительному снижению на авторотации (так называется спуск без двигателя с главный ротор, поворачивающийся от нижнего потока). Оба рекорда остаются в силе и сегодня. Вполне вероятно, что этот полет превратился в полет стратосферного вертолета, в зависимости от высоты, на которой находилась тропопауза и на какой высоте начиналась стратосфера.

Звук на Солнце

Солнце представляет собой довольно плотную структуру из ионизированного газа. Мы не можем сомневаться в существовании звука на Солнце. Конечно, сильные водовороты горячего газа в его верхних слоях и турбулентность создают ужасный рев в широкой полосе частот. Однако на Земле мы не слышим этот рев, потому что между Землей и Солнцем существует 150 миллионов километров пустоты, которая не пропускает звук.

В верхних слоях солнечной атмосферы температура газа ниже, чем в более глубоких. Основываясь на опыте изучения распространения звука в слоистой среде, можно ожидать, что звук будет концентрироваться в области с минимальной скоростью его распространения, то есть в слое с минимальной температурой. Звук, возникающий в результате турбулентных движений в конвективных областях, распространяется таким образом, чтобы оставаться в верхних слоях солнечной атмосферы (рис. 4). На глубине скорость звука и температура значительно увеличиваются, и это заставляет звук возвращаться в конвективную зону. Солнце имеет сферическую форму, поэтому звук, который распространяется по циклическим траекториям вдоль поверхности Солнца (p-мода на рисунке 4, которая соответствует волнам давления), будет усиливаться, если количество таких циклов будет целым. В этом случае мы можем рассматривать Солнце как резонатор, в котором усиливаются определенные колебания — сферические моды.

Рис. 4. Слоистая структура Солнца и лучей, через которые распространяется звук. Звук, который распространяется по полному циклу, усиливается и создает сферические моды колебаний давления на поверхности (p-моды) и внутренние волны в гравитационном поле (g-моды)

Обратите внимание, что Солнце не может иметь эффективных поперечных волн при сейсмической активности на Земле или других планетах. Солнце представляет собой плотный газ (или жидкость), в этой среде нет модуля сдвига, и поэтому солнечная среда не может обеспечить распространение поперечной волны. На больших глубинах, в зоне излучения и в активной зоне, силы тяжести существенны, а не упруги. Следовательно, не будут распространяться волны упругого давления, а будут распространяться внутренние волны, которые движутся под действием сил плавучести (g-мода на рисунке 4). Так что это скорее гидродинамическая, чем акустическая проблема. Эти волны (g-моды) затухают в области конвективных потоков и не достигают поверхности, а поверхность Солнца не отражает информацию о ядре.

Однако недавно появились данные о возможности наблюдения этих слабых волн на Земле. Ядро Солнца вращается с периодом один оборот каждые семь дней, что намного быстрее, чем вращение зон излучения и конвекции. Волны g-моды модулируют магнитное поле, создаваемое вращающимся ядром Солнца, и эти компоненты модуляции с периодом 7 дней регистрировались земными магнитометрами.

Таким образом, получается, что мы можем слышать звук Солнца на Земле.