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

5 книг Нобелевских лауреатов, которые вам стоит прочесть 5 книг Нобелевских лауреатов, которые вам стоит прочесть

Топ книг нобелевских лауреатов, которые стоит прочесть каждому

Популярная механика
Прокачать лицо: 5 мифов о модном фейсбилдинге - ты удивишься! Прокачать лицо: 5 мифов о модном фейсбилдинге - ты удивишься!

Разбираемся в популярных ошибках, которые совершают фанаты фейсбилдинга

Cosmopolitan
15 богатейших семей Кремля и Белого дома — 2021 15 богатейших семей Кремля и Белого дома — 2021

15 самых богатых семей чиновников администрации президента за 2021 год

Forbes
Холодная война распространяется на Солнечную систему, космос подчиняет человека, а Луна побеждает Землю. 6 романов про освоение космоса Холодная война распространяется на Солнечную систему, космос подчиняет человека, а Луна побеждает Землю. 6 романов про освоение космоса

Фантастические романы, которые объединяет мотив отношений человека с космосом

Esquire
Као-мани Као-мани

В некоторых англоязычных странах эту породу принято называть Diamond Eye

Weekend
Даша Жукова, Оксана Робски и еще 8 светских львиц из нулевых: что с ними сейчас Даша Жукова, Оксана Робски и еще 8 светских львиц из нулевых: что с ними сейчас

Чем сейчас живут и как выглядят знаменитые гламурные тусовщицы прошлого

Cosmopolitan
6 номинантов на «Оскар», которые не существовали в реальности 6 номинантов на «Оскар», которые не существовали в реальности

Как получить «Оскар» если тебя даже не существует

Maxim
Квантовая коррекция ошибок научилась переваривать вдвое больший шум Квантовая коррекция ошибок научилась переваривать вдвое больший шум

Физики разработали код коррекции ошибок в квантовых вычислениях

N+1
От «Чернобыля» до «Клана Сопрано»: 14 лучших сериалов HBO, на которые не жалко тратить время От «Чернобыля» до «Клана Сопрано»: 14 лучших сериалов HBO, на которые не жалко тратить время

Подборка культовых сериалов от HBO, получивших высокие оценки

Playboy
Честный человек под прикрытием Честный человек под прикрытием

Как один автор изменил историю целого жанра

Weekend
5 бьюти-мифов об уходе за волосами, которые давно пора развенчать 5 бьюти-мифов об уходе за волосами, которые давно пора развенчать

Мы до сих пор верим в эти древние бьюти-мифы

Cosmopolitan
Девушки в восторге! Брэд Питт, Деревянко и другие мачо, работавшие в стриптизе Девушки в восторге! Брэд Питт, Деревянко и другие мачо, работавшие в стриптизе

Актеры, которые до популярности попробовали себя в жанре приватных танцев

Cosmopolitan
Вдохновители и реализаторы Вдохновители и реализаторы

Как собрать сильную команду, используя знания о человеческих психотипах

Лиза
Интернет для мертвых и цифровое бессмертие: фрагмент романа писательницы Татьяны Замировской Интернет для мертвых и цифровое бессмертие: фрагмент романа писательницы Татьяны Замировской

Отрывок из романа «Смерти.net» о мире, в котором смерть — это непорядок

Esquire
Девять мужей и 99 лет: удивительная история актрисы Жа Жа Габор Девять мужей и 99 лет: удивительная история актрисы Жа Жа Габор

Актриса Жа Жа Габор вошла в историю не только благодаря кино

Cosmopolitan
Шампунь всему голова Шампунь всему голова

Правильно ли вы ухаживаете за своими волосами?

Худеем правильно
Враги народа. Зачем России нужен список недружественных стран Враги народа. Зачем России нужен список недружественных стран

Но как объяснить смысл списка гражданам «врагов народа» — своим и чужим?

СНОБ
15 научных доказательств пользы секса 15 научных доказательств пользы секса

Почему секс полезен для здоровья

Maxim
Как и на сколько можно похудеть за неделю – разбираемся вместе с экспертами Как и на сколько можно похудеть за неделю – разбираемся вместе с экспертами

Вариант похудеть за неделю кажется идеальным, но насколько он реальный?

Cosmopolitan
Правила жизни Владимира Ленина Правила жизни Владимира Ленина

Владимир Ленин: политика есть концентрированное выражение экономики

Esquire
«Мы всех порвали и стали самыми дорогими на рынке»: как CloudPayments стал лидером среди платежных сервисов «Мы всех порвали и стали самыми дорогими на рынке»: как CloudPayments стал лидером среди платежных сервисов

Как выйти на рынок, где все поделено, и изменить на нем правила игры

Forbes
Я влюбилась, и не в мужа: личный опыт психолога Я влюбилась, и не в мужа: личный опыт психолога

Возможно, эта история спасет и ваш брак

Psychologies
Каким было самое первое животное на Земле и почему об этом так долго спорят Каким было самое первое животное на Земле и почему об этом так долго спорят

Претендент на звание самой древней ветви жизни, все это время обманывал нас

Популярная механика
Исследование: AR повышает продажи более дорогих и менее популярных товаров Исследование: AR повышает продажи более дорогих и менее популярных товаров

Активное использование дополненной реальности способно повысить продажи

Inc.
Омни-диета: как похудеть на 6 кг всего за две недели Омни-диета: как похудеть на 6 кг всего за две недели

Что можно и что нельзя есть на омни-диете

Cosmopolitan
Запасись гидрокортизоном: 10 фактов об эпиляции зоны бикини, которые надо знать Запасись гидрокортизоном: 10 фактов об эпиляции зоны бикини, которые надо знать

Правила, которые стоит соблюдать при эпиляции зоны бикини

Cosmopolitan
Они сделали это: 5 красоток, женивших на себе звездных бабников Они сделали это: 5 красоток, женивших на себе звездных бабников

Знаменитые девушки, которые построили семью с неисправимыми ловеласами

Cosmopolitan
Только не три! Как исправить неудачное окрашивание бровей Только не три! Как исправить неудачное окрашивание бровей

Как скорректировать цвет бровей в домашних условиях?

Cosmopolitan
Конец «эпохи poker face» и плавучие города: в каком мире мы будем жить через 10 лет Конец «эпохи poker face» и плавучие города: в каком мире мы будем жить через 10 лет

Футурологи: как изменится наш мир в ближайшие 10―15 лет

Forbes
Возвращение Херста: как британский художник пишет историю современного искусства Возвращение Херста: как британский художник пишет историю современного искусства

Почему Дэмиен Херст вновь возвращается к своим старым идеям

Forbes
Открыть в приложении