Новый анемометр отслеживает распространение звука для точных расчётов скорости ветра на Марсе

Авторы Роберт Уайт (слева), Ян Нисон (в центре) и Дон Банфилд (справа) в аэродинамической трубе Mars Simulation Wind Tunnel в Университете Орхуса, Дания, в 2019 году готовятся к испытанию ранних прототипов марсианского звукового анемометра, видимого в центре. Два прототипа были изготовлены Университетом Тафтса (слева) и VN Instruments (справа). Автор: White, Neeson, and Banfield

Марс имеет печально известную негостеприимную среду, с температурами, которые резко колеблются в течение марсианских суток и в среднем составляют минус 80 градусов по Фаренгейту. Его поверхность в основном покрыта красной пылью, а рельеф представлен кратерами, каньонами и вулканами. А его атмосфера чрезвычайно тонка, составляя всего около 1% от плотности Земли.

Само собой разумеется, измерение скорости ветра на красной планете — сложная задача. Марсианские посадочные модули смогли зафиксировать измерения — некоторые из них измеряли скорость охлаждения нагретых материалов, когда над ними дул ветер, другие использовали камеры для съемки «сигналов», которые развеваются на ветру. Оба анемометрических метода дали ценную информацию о климате и атмосфере планеты.

Однако астрономический инструментарий еще нуждается в совершенствовании, особенно с учетом планов по отправке астронавтов на Марс в ближайшие годы.

В журнале The Journal of the Acoustical Society of America исследователи из Канады и США демонстрируют новую звуковую анемометрическую систему с парой узкополосных пьезоэлектрических преобразователей для измерения времени прохождения звуковых импульсов через марсианский воздух. Исследование учитывало переменные, включая эффекты дифракции преобразователя и направление ветра.

«Измеряя разницу во времени распространения звука как вперед, так и назад, мы можем точно измерить ветер в трех измерениях», — сказал автор Роберт Уайт. «Два главных преимущества этого метода в том, что он быстрый и хорошо работает на низких скоростях».

Исследователи надеются, что смогут измерить до 100 скоростей ветра в секунду при скорости всего лишь 1 см/с, что существенно отличается от предыдущих методов, которые позволяли регистрировать лишь около 1 скорости ветра в секунду и с трудом отслеживали скорости ниже 50 см/с.

«Быстро и точно измеряя, мы надеемся, что сможем измерить не только средние ветры, но также турбулентность и флуктуирующие ветры», — сказал Уайт. «Это важно для понимания атмосферных переменных, которые могут быть проблематичными для небольших транспортных средств, таких как вертолет Ingenuity, который недавно летал на Марсе».

Исследователи охарактеризовали ультразвуковые преобразователи и датчики в широком диапазоне температур и узком диапазоне давлений в углекислом газе, основном атмосферном газе на Марсе. С их выбором они показали, что только номинальные коэффициенты ошибок будут возникать из-за изменений температуры и давления.

«Система, которую мы разрабатываем, будет в 10 раз быстрее и в 10 раз точнее, чем все, что использовалось ранее», — сказал Уайт. «Мы надеемся, что она даст более ценные данные, поскольку рассматриваются будущие миссии на Марс, и предоставит полезную информацию о марсианском климате, возможно, также имеющую значение для лучшего понимания климата нашей собственной планеты».

Больше информации: Modeling and characterization of gas coupled ultrasonic transducers at low pressures and temperatures and implications for sonic anemometry on Mars, The Journal of the Acoustical Society of America (2024). DOI: 10.1121/10.0028008

Источник: American Institute of Physics