Станет ли полет вертолета Ingenuity началом новой эры в авиации

N+1Hi-Tech

Марсианский винт

Станет ли полет вертолета Ingenuity началом новой эры в авиации

Николай Цыгикало

11 апреля вертолет Ingenuity впервые попробует подняться над поверхностью Марса, и эти летные испытания вызывают жгучий интерес. Дело не только в том, что дело Игоря Сикорского продолжится уже на другой планете, а исторический полет явно приурочен к 60-летию полета Гагарина. Возможно, с Ingenuity начинается другая, еще более продвинутая ветвь винтокрылого полета.

Атмосфера Марса, хоть и весьма разрежена, вполне позволяет аэродинамический полет. Но вертолетам летать в атмосфере со столь невысокой плотностью еще не доводилось — даже на Земле. На поверхности Марса плотность атмосферы составляет всего 20 граммов в кубометре, что в 61 раз меньше плотности земной атмосферы (1,225 килограмма в кубометре). «Марсианскую» плотность земная атмосфера имеет на высоте 29,4 километра (согласно МСА, Международной стандартной атмосфере).

Небольшое аэродинамическое отступление

Во многих текстах часто встречается сравнение нулевой высоты на Марсе с высотой земной атмосферы в 35 километров — со ссылкой, что плотность воздуха на эти высотах равна. Внешне незаметное, здесь притаилось противоречие.

Существует международная стандартная атмосфера (МСА), принятая Международной организацией по стандартизации, ISO. По ней непрерывно и ежедневно делается неизмеримое количество действий, включая все авиационные и ракетные полеты и расчеты. В России на ее основе действует ГОСТ 4401-81 «Атмосфера стандартная. Параметры», подробно излагающий параметры земной атмосферы на всех высотах — на эти данные опираются конструкторы всех летательных аппаратов. В нем для высоты 35 000 метров ровно плотность воздуха составляет 8,46 граммов в кубометре. Что в два с половиной раза меньше приводимых для Марса 20 граммов. Здесь же смотрим высоту с плотностью 20 грамм в кубометре — получаем примерно 29,45 километра.

Таблицы стандартной атмосферы покажут и истоки ошибки. На высоте порядка 35 километров в земной атмосфере и на марсианском нуле примерно одинаковое давление, около шести сотых атмосферы. Это верно приводят многие источники. Давление проще измерить, поэтому данных по давлению много, в то время как по плотности воздуха их источников мало. Возможно, из-за обилия этих данных и нечеткости представлений происходят ошибки с плотностью. Но для аэродинамики ключевой является плотность среды, а не давление. В формуле подъемной силы атмосфера представлена только плотностью.

В своих дальнейших расчетах мы будем опираться на то, что у поверхности Марса плотность атмосферы 20 граммов в кубометре.

Ничего сверхъестественного в аэродинамическом полете на Марсе нет.

Аэродинамическая сила зависит от формы обтекаемого тела, его положения и скоростного напора потока — произведения плотности воздуха на квадрат скорости полета, деленного пополам: q =½ρV2. Плотность воздуха (ρ) входит в это уравнение простым сомножителем, тогда как скорость (V) — квадратом. Соответственно, для компенсации того, что плотность марсианской атмосферы по сравнению с земной ниже в 61 раз, нужно увеличить скорость обтекания в корень квадратный из 61 = 7,8 раз. Тогда величина марсианской аэродинамической силы будет равна земной. Заставить лопасти крутиться в 7,8 раз быстрее — не такая уж сложная техническая проблема. Тем более что они не будут испытывать земного сопротивления воздуха.

Скорость движения концов лопастей Ingenuity составляет порядка 150 метров в секунду. Скорость звука в марсианской атмосфере — 244 метра в секунду, поэтому значение числа Маха для лопастей получится 0,62 М. Хотя такая скорость звука приводится для среднегодовой температуры в −63 °C. Экваториальные зоны Марса прогреваются до +35°C (зафиксирована марсоходом «Spirit»). Это несколько снижает плотность атмосферы и потому повышает требования к оборотам винта — они должны с запасом перекрывать возможные спады плотности на взлетной площадке. Но и в теплое время скорость концов лопастей не превысит 0,7 М.

Звук такого винта напоминает гудение жука.

Частота взмахов крыльев комара около 600 раз в секунду, что и дает тон комариного поиска в 600 герц. Частота жужжания комнатных мух и медоносных пчел лежит в диапазоне 200-300 герц, шмели гудят с частотой 120-180 герц. Заявленные обороты винта Ingenuity — 2400 в минуту, или 40 в секунду; значит, концы лопастей будут проходить одну и ту же точку окружности 80 раз в секунду. Вероятно, рабочие обороты будут несколько выше и частота прохода лопастей будет достигать 90 герц. Примерно на этой частоте жужжат в полете некоторые жуки — например, священный скарабей (Scarabaeus sacer).

Ingenuity в полете в представлении художника/ NASA / JPL-Caltech

Чисто марсианские вопросы

Марс — довольно пыльная планета. Плотность пылевых облаков в некоторые периоды может в два-три раза превосходить плотность собственно газовой атмосферы. Как это может повлиять на обтекание лопастей и аэродинамические силы? Будет ли пыль сливаться с потоком воздуха, обтекающим вращающиеся лопасти или частично отделяться от него?

Вариант 1. Пыль с газом ведут себя как единая среда — вязкость и число Рейнольдса для этого размера частиц позволят пыли слиться с атмосферой. Неспроста пыль в этой атмосфере висит месяцами, находясь с ней в равновесии. Тогда при обдуве таким потоком, уплотненным тонкой минеральной компонентой, аэродинамические силы возрастут в разы, с ними и подъемная сила. Со значительным улучшением полетных условий по энергетике полета. Видимость же и навигация составят первые километры, что позволит короткие локальные полеты на сотни метров.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«45 – баба ягодка опять»: Вспоминаем главные достижения Apple в честь юбилея «45 – баба ягодка опять»: Вспоминаем главные достижения Apple в честь юбилея

Самые яркие события в истории компании Apple

Популярная механика
Томми Кэш: Томми Кэш:

Интервью с Томми Кэшем в Zoom по случаю его очередного релиза

Esquire
Стеллеровы коровы начали вымирать еще до встречи с человеком Стеллеровы коровы начали вымирать еще до встречи с человеком

Стеллеровы коровы начали вымирать из-за колебаний уровня моря, еще до человека

N+1
7 фактов о сюите «Время, вперед!» 7 фактов о сюите «Время, вперед!»

Сюита «Время, вперед!» Георгия Свиридова звучит в заставке программы «Время»

Культура.РФ
7 фильмов, где актеры снялись против своей воли 7 фильмов, где актеры снялись против своей воли

Фильмы, где актеры снялись против своей воли. И что из этого вышло

Maxim
Ларс, бог вины: гид по творчеству великого и ужасного фон Триера (азбука Esquire) Ларс, бог вины: гид по творчеству великого и ужасного фон Триера (азбука Esquire)

Творчество Ларса фон Триера от А до Я

Esquire
«Шерлок в России»: новый взгляд на приключения сыщика «Шерлок в России»: новый взгляд на приключения сыщика

«Шерлок в России» – необычная интерпретация рассказов о легендарном сыщике

Cosmopolitan

Как превратить ваши волшебные первые свидания в настоящие отношения?

Cosmopolitan
Рапунцель из Индии рассказала, как отрастить волосы на 15 см всего за 3 месяца Рапунцель из Индии рассказала, как отрастить волосы на 15 см всего за 3 месяца

Маска для волос, которая поможет ускорить рост волос на 30-40%

Cosmopolitan
Что такое «Крабик» и как он может спасти процессы в вашей команде Что такое «Крабик» и как он может спасти процессы в вашей команде

«Крабик» — это фреймворк способ изучить структуру системы и усовершенствовать ее

Популярная механика
Как выглядели после родов Кейт Миддлтон, Меган Маркл и другие любимицы британцев Как выглядели после родов Кейт Миддлтон, Меган Маркл и другие любимицы британцев

Появление на свет новых членов королевской семьи – важный и трогательный момент

Cosmopolitan
Завернулись в простынь? Самые простые белые платья звезд, которые всех покорили Завернулись в простынь? Самые простые белые платья звезд, которые всех покорили

10 лаконичных белых нарядов селебрити, которые выделили их на красной дорожке

Cosmopolitan
Слезы от счастья и из-за потери: самые трогательные моменты на премии «Оскар» Слезы от счастья и из-за потери: самые трогательные моменты на премии «Оскар»

События «Оскара», которые мы до сих пор вспоминаем с восторгом и трепетом

Cosmopolitan
Между нами Между нами

Форма мира Лизы Аминовой вмещает в себя гедонистические виды спорта и любовь

Tatler
CRISPR-инструмент отредактировал геном без разрывов ДНК CRISPR-инструмент отредактировал геном без разрывов ДНК

Система CRISPRoff способна подавлять активность генов, не внося мутаций в ДНК

N+1
Кризис жанра: каким стало семнадцатое послание Владимира Путина Кризис жанра: каким стало семнадцатое послание Владимира Путина

Андрей Колесников: 17-е послание Владимира Путина и госрегулирование экономики

Forbes
Истребитель дронов Истребитель дронов

За разведывательными дронами начнут охотиться беспилотные истребители

Популярная механика
Главная загадка Уолл-стрит: как трейдер, прозванный ходячим фактором риска, заработал $10 млрд втайне от всех Главная загадка Уолл-стрит: как трейдер, прозванный ходячим фактором риска, заработал $10 млрд втайне от всех

Как Биллу Хвану удалось скопить состояние в $10 млрд

Forbes
Рождённые в XXI веке будут жить дольше! Рождённые в XXI веке будут жить дольше!

За последние десятилетия учёные добились успехов в изучении процессов старения

Здоровье
9 лучших корейских фильмов. История любви девочки к свинобегемоту, корейская погоня за американской мечтой и экранизация Мураками 9 лучших корейских фильмов. История любви девочки к свинобегемоту, корейская погоня за американской мечтой и экранизация Мураками

«Паразиты», «Горничная», «Пылающий», «Олдбой» и многих других азиатских шедевров

Esquire
Композитор Фабрицио Патерлини: «Переход от бухгалтера к музыканту занял 10 лет» Композитор Фабрицио Патерлини: «Переход от бухгалтера к музыканту занял 10 лет»

Композитор Фабрицио Патерлини — о своем пути к музыкальному олимпу

Cosmopolitan
Сладкая жизнь. Зачем нам нужны шоколадные эндорфины Сладкая жизнь. Зачем нам нужны шоколадные эндорфины

Как шоколад действует на наше психоэмоциональное состояние?

СНОБ
Течение Куросио унесло выброшенный воздушный шарик на рекордную глубину в 5800 метров Течение Куросио унесло выброшенный воздушный шарик на рекордную глубину в 5800 метров

Ежегодно в океан поступает порядка 10 миллионов тонн пластика

N+1
Грязные танцы Грязные танцы

Год самоизоляции привел к буму в секс-технологиях

Men’s Health
Может, договоримся? Может, договоримся?

Как найти общий язык с ребенком

Лиза
Все по-взрослому Все по-взрослому

Психолог: как узнать, что ребенок уже занимается сексом и нужно ли это делать

Лиза
В Израиле нашли древнейшую алфавитную надпись Южного Леванта В Израиле нашли древнейшую алфавитную надпись Южного Леванта

Несколько букв на остраконе из древнего города Лахиш датируются XV веком до н.э.

N+1
11 секретов Джеффа Безоса 11 секретов Джеффа Безоса

11 вещей, которым каждому предпринимателю стоит поучиться у Джеффа Безоса

Inc.
Откладывай на завтра, работай пять минут: 7 неожиданных способов всё успеть Откладывай на завтра, работай пять минут: 7 неожиданных способов всё успеть

Неожиданные, но эффективные способы распределять дела и ставить приоритеты

Cosmopolitan
Обычный сверхчеловек: Данила Козловский спасает мир в фильме «Чернобыль» Обычный сверхчеловек: Данила Козловский спасает мир в фильме «Чернобыль»

«Чернобыль» Козловского погружает зрителя в ностальгическое золотое марево

GQ
Открыть в приложении