Чувствительность скорости к гравитации при вторжении в сипучие материалы: эксперименты и моделирование в микрогравитации

Почему важно двигаться через песок в космосе

Представьте, что вы ведёте ровер по Луне или тянете закопанный кабель на Марсе: каждое колесо, нога или инструмент вынуждены проталкиваться через грунт из сыпучих частиц. На Земле мы довольно хорошо понимаем, как песок и гравий оказывают сопротивление, но в условиях слабой гравитации эти правила могут радикально измениться. В этом исследовании изучается, насколько трудно объекту пробиваться через слой пластиковых шариков при нормальной гравитации и при почти безвесных условиях; результаты показывают, что «космический песок» может вести себя гораздо больше как густая жидкость, чем как привычный нам грунт.

Копаем в песке с падающей лабораторией

Чтобы проверить это, исследователи собрали прозрачную коробку, заполненную мелкими полипропиленовыми шариками, имитирующими песок. Металлический цилиндр с восемью компактными датчиками силы вдоль длины втыкался в эти зерна. Мотор тянул цилиндр вбок с контролируемой скоростью, как будто волочат стержень через песочницу. Главное — где проводился эксперимент: внутри капсулы, сброшенной с высоты 116 метров в башне в Пекине. Во время каждого 3,6-секундного падения гравитация в капсуле снижалась примерно до одной тысячной земной, что позволило команде сравнить измерения, сделанные прямо перед падением (нормальная гравитация), и в ходе падения (микрогравитация).

Как зерна оказывали сопротивление

Команда измеряла силу сопротивления движущемуся цилиндру на разных глубинах и при скоростях от 35 до 100 миллиметров в секунду. При нормальной гравитации суммарная сила сопротивления была довольно большой — около 7–9 ньютонов — и мало зависела от скорости. Она, однако, почти линейно увеличивалась с глубиной, поскольку более глубокие слои сильнее сжимаются весом вышележащих зерен. В микрогравитации картина изменилась: сила сопротивления упала примерно на два порядка, до нескольких сотых ньютон, но теперь сильно росла с увеличением скорости. По мере ускорения цилиндра в условиях близких к невесомости зерна текли более энергично, и сопротивление увеличивалось примерно в 2,5 раза в пределах протестированного диапазона.

Виртуальные зерна и скрытые внутренние силы

Чтобы понять, почему отклик так сильно меняется при снижении гравитации, исследователи также провели численные симуляции, повторяющие геометрию эксперимента. Они использовали численный метод, который рассматривает зерна как сплошной материал, отслеживая большие деформации вокруг движущегося цилиндра. В этой схеме они реализовали реологическую модель — набор правил — которая разлагает внутреннее напряжение на «квази­статическую» часть, доминирующую, когда зерна сильно прижаты друг к другу, и «вязкую» часть, важную при более свободном течении материала. Модель управляется так называемым инерционным числом, которое сравнивает скорость сдвига зерен и силу их взаимного прижатия. В микрогравитации, при очень низком внутреннем давлении, это число значительно растёт, переводя материал в более жидкоподобный режим.

Что происходит внутри движущегося песка

Симуляции показали, что при нормальной гравитации движение вокруг цилиндра остаётся локализованным и относительно жёстким: скорости зерен и скорости сдвига сосредоточены близко к внедряемому объекту, и квази­статическая составляющая напряжения доминирует. В микрогравитации зона возмущения распространяется гораздо дальше, скорости зерен выше на более широкой территории, и вязкая часть напряжения становится заметно большей долей от суммарного напряжения. Карты скоростей зерен, скоростей сдвига и внутреннего давления подтвердили, что слой становится явно более «жидким», когда его собственный вес почти исчезает. Хотя рассчитанные силы в микрогравитации оказались несколько ниже лабораторных измерений, общие закономерности и сильная зависимость от скорости хорошо согласовались, указывая на то, что дополнительные факторы — например, детальные локальные перестановки зерен — могут ещё точнее настроить модели.

Что это значит для миров за пределами Земли

Проще говоря, исследование показывает: при слабой гравитации рыхлые сыпучие материалы ведут себя меньше как твёрдая куча песка и больше как медленная густая жидкость, сопротивление которой растёт с увеличением скорости проникновения. На Земле вес вышележащих зерен удерживает материал в основном в твёрдо-подобном состоянии, поэтому ускорение не сильно меняет сопротивление. В микрогравитации потеря веса позволяет зернам течь свободнее, и скорость становится куда более значимым фактором. Эти выводы важны для прогнозирования взаимодействия космических аппаратов, роверів, буровых установок и закопанных коммуникаций с лунными или марсианскими грунтами, и они указывают на необходимость иных правил проектирования и моделей грунта для операций в условиях слабой гравитации будущих космических миссий.

Цитирование: Hou, M., Cheng, X., Yang, S. et al. Gravity-dependent rate sensitivity in granular intrusion: microgravity experiments and simulations. npj Microgravity 12, 19 (2026). https://doi.org/10.1038/s41526-026-00563-7

Ключевые слова: микрогравитация, поток гранул, планетарный грунт, силы вторжения, лунный и марсианский реголит