Бег по пляжу вместо асфальтированной дороги может изменить походку спортсмена, его скорость и устойчивость. Если изменить силу тяжести, то этот бегун может побить свой личный рекорд или провалиться под землю.

Исследователи должны учитывать такие параметры при проектировании внеземных марсоходов и спускаемых аппаратов, которые могут проходить там, где не ступала нога человека.

Чтобы лучше информировать об этой работе, команда из нескольких учреждений проанализировала поток имитированного реголита, типа фрагментарного мусора, который покрывает Луну и скалистые планеты, используя генератор искусственной гравитации на Международной космической станции.

Они опубликовали свою работу в журнале npj Microgravity.

«Изучение характеристик текучести реголита, покрывающего внеземные тела в условиях низкой гравитации, имеет важное значение для надежного проектирования и анализа спускаемых аппаратов и роверов для исследования космоса», — сказал автор-корреспондент Синго Одзаки, профессор Йокогамского национального университета. «Реголит, который является потенциально легким и порошкообразным гранулированным материалом, является основной проблемой для посадочного модуля или ровера; посадка на такой рыхлый грунт является критическим этапом во время исследования, поскольку подножка шасси может зарыться в реголит».

Spirit, один из марсоходов-близнецов, который приземлился на Марсе в 2004 году, стал жертвой реголита через шесть лет после начала своей миссии. Его колесо безвозвратно застряло в реголите, что привело к его остановке.

«Этот вопрос прояснил важность механики взаимодействия колеса с почвой», — сказал Озаки. «Эти модели механического взаимодействия машин — таких как шасси или система мобильности — на таких гранулированных средах при различных уровнях гравитационного ускорения являются ключом к их надежному проектированию и анализу».

В этом исследовании исследователи предложили экспериментальный подход для изучения того, как различные гравитационные условия влияют на поведение восьми песков, включая имитированный реголит, в течение нескольких часов. Предыдущие эксперименты, выполнявшиеся в течение более коротких промежутков времени, всего в несколько секунд, продемонстрировали, что динамика потока гранулированной среды зависит от ускорения гравитации.

Однако, по словам Одзаки, экспериментальные установки не были оборудованы для проверки динамики потока в течение более длительных периодов времени. Для этого им нужно было находиться в космосе — в частности, на Международной космической станции (МКС).

Там специально разработанные контейнеры «песочные часы» были размещены в японском экспериментальном модуле МКС, который оснащен центрифугой, способной обеспечивать долгосрочные стабильные условия искусственной гравитации. В каждом контейнере находился имитированный реголит или песок, найденный на Земле, Марсе или Луне. В течение семи часов исследователи применяли различные условия искусственной гравитации к контейнерам и изучали, как гранулированные материалы проходят через узкое горлышко в форме песочных часов.

«Условия искусственной гравитации в эксперименте были подтверждены как приемлемые для изучения зависящего от силы тяжести потока гранулированных сред», — сказал Озаки. «Затем мы обнаружили, что характеристики текучести некоторых песков количественно соответствуют хорошо известным физическим законам даже при низкой гравитации».

Исследователи также подтвердили, что насыпная плотность песка, или то, насколько компактен гранулированный материал, уменьшается под действием силы тяжести. Другими словами, при меньшей силе тяжести песок становится более пушистым — и потенциально более опасным для транспортных средств.

Далее исследователи заявили, что планируют исследовать конкурентное поведение между гравитацией и силами сцепления, действующими на частицы песка в условиях низкой гравитации.

«Характеристики гравитационно-зависимого потока и насыпной плотности песка могут быть использованы в качестве основы для механической модели и набора параметров, необходимых для прогнозирования взаимодействия машин с реголитом в условиях низкой гравитации», — сказал Озаки, пояснив, что такая информация предоставит основополагающую информацию, необходимую для лучшего прогнозирования того, как поведение поверхностных сред может влиять на взаимодействие с транспортными средствами.