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
5 способов справиться с тревогой 5 способов справиться с тревогой

Несколько простых правил, которые помогут лишний раз не переживать

GQ
Школа Автотуризма. Выбор шин для путешествий Школа Автотуризма. Выбор шин для путешествий

Поговорим об особенностях применения шин для путешествий

4x4 Club
Топ-6: лучшие шутеры от первого лица на ПК Топ-6: лучшие шутеры от первого лица на ПК

Топовые шутеры от первого лица, в которые можно играть на ПК

CHIP
Лучшие российские сериалы про большую (и не очень) любовь Лучшие российские сериалы про большую (и не очень) любовь

Хорошие, смешные и порой страшные российские сериалы про отношения

Cosmopolitan
Флекситарианство: что нужно знать о вегетарианстве со стейками и бургерами Флекситарианство: что нужно знать о вегетарианстве со стейками и бургерами

Гибкое вегетарианство – диета, неоднократно признававшаяся самой здоровой

Cosmopolitan
Вращательная сейсмология: от вычислений и рассуждений к измерениям и пониманию Вращательная сейсмология: от вычислений и рассуждений к измерениям и пониманию

Углублённое исследование вращательных движений сейсмической природы

Наука и жизнь
Космические рейнджеры, первооткрыватели и киборги: 7 видеоигр про космос Космические рейнджеры, первооткрыватели и киборги: 7 видеоигр про космос

Подборка игр на космическую тематику для ПК и приставок

РБК
Как выглядели до свадьбы принцесса Диана, Кейт Миддлтон, Меган Маркл и другие Как выглядели до свадьбы принцесса Диана, Кейт Миддлтон, Меган Маркл и другие

Как выглядели до брака Меган Маркл, принцесса Диана, Елизавета II и другие

Cosmopolitan
Супервулкан Тоба 74 тысячи лет назад навредил обитателям тропиков разрушением озонового слоя Супервулкан Тоба 74 тысячи лет назад навредил обитателям тропиков разрушением озонового слоя

Ранние сапиенсы могли пострадать от экстремального ультрафиолетового облучения

N+1
Неудачный подарок разрушил отношения двух подруг Неудачный подарок разрушил отношения двух подруг

Обидеть другого можно, даже приняв неудачный подарок

Psychologies
ATLAS ограничил взаимодействие бозона Хиггса с самим собой ATLAS ограничил взаимодействие бозона Хиггса с самим собой

Участники эксперимента ATLAS усилили ограничения на сечение рождения пар бозона

N+1
Грязные танцы Грязные танцы

Год самоизоляции привел к буму в секс-технологиях

Men’s Health
«Beats продала товара на полмиллиарда долларов до первой рекламы»: как рэпер и продюсер изменили музыкальный бизнес «Beats продала товара на полмиллиарда долларов до первой рекламы»: как рэпер и продюсер изменили музыкальный бизнес

История тандема рэпера Dr. Dre и продюсера Джимми Айовина

VC.RU
Что делать с ребенком, который дома все отвечает, а из школы приносит одни двойки Что делать с ребенком, который дома все отвечает, а из школы приносит одни двойки

Как победить тревожность у ребенка, не прибегая к ругани и ремню

Maxim
3 признака токсичного слушателя 3 признака токсичного слушателя

Многие из нас совершенно не умеют слушать других. Признаки токсичного слушателя

Psychologies
Дым рассеялся: как российский медиаменеджер привлек $12 млн в каннабисный стартап и обанкротился Дым рассеялся: как российский медиаменеджер привлек $12 млн в каннабисный стартап и обанкротился

Почему каннабисный проект Егора Лаврова провалился и кто в него инвестировал?

Forbes
На австралийских бумерангах нашли следы обработки камня На австралийских бумерангах нашли следы обработки камня

Археологи: бумеранги использовались и оружие, и как инструмент для камня

N+1
Ах, какой был мужчина: 5 звезд, чьи мужья и женихи имели проблемы с законом Ах, какой был мужчина: 5 звезд, чьи мужья и женихи имели проблемы с законом

Кого из звезд судьба связала с "плохими парнями"

Cosmopolitan
Американская мечта для корейской семьи. О фильме «Минари», который получил шесть номинаций на «Оскар» Американская мечта для корейской семьи. О фильме «Минари», который получил шесть номинаций на «Оскар»

Фильм «Минари» — история семьи, которая пыталась найти американскую мечту

СНОБ
Идеальная наследница: как Франсуаза Бетанкур-Майерс сохранила и приумножила семейный капитал Идеальная наследница: как Франсуаза Бетанкур-Майерс сохранила и приумножила семейный капитал

Франсуаза Бетанкур-Майерс заняла 12-е место в списке Forbes

Forbes
Два долгожителя: ушла из жизни вдова легендарного балетмейстера Игоря Моисеева Два долгожителя: ушла из жизни вдова легендарного балетмейстера Игоря Моисеева

Вдова балетмейстера Игоря Моисеева скончалась в Москве

Cosmopolitan
NFC-чип позволил проверить давление в велосипедном колесе со смартфона NFC-чип позволил проверить давление в велосипедном колесе со смартфона

Tubolito представила велосипедную камеру со встроенным датчиком давления

N+1
Чем эмоции отличаются от чувств? Чем эмоции отличаются от чувств?

Почему слова «эмоция» и «чувство» — не синонимы

Psychologies
5 неожиданных способов перезагрузить свою нервную систему (она не железная) 5 неожиданных способов перезагрузить свою нервную систему (она не железная)

Как перезагрузить нервную систему, чтобы вконец себя не измотать

Playboy
Отказ от размножения помог муравьям восстановить утраченный объем мозга Отказ от размножения помог муравьям восстановить утраченный объем мозга

Межкастовый переход муравьев привел к восстановлению объема мозга

N+1
«Мне теперь никто не звонит» «Мне теперь никто не звонит»

Советская власть очень жёстко боролась со всяким инакомыслием

Дилетант
Очаровашки! Как выглядят дочери Заворотнюк, Хилькевич и других российских актрис Очаровашки! Как выглядят дочери Заворотнюк, Хилькевич и других российских актрис

Звезды популярных фильмов и сериалов стали успешными мамами

Cosmopolitan
Дети, родители и гаджеты: как установить правила и сохранить хорошие отношения Дети, родители и гаджеты: как установить правила и сохранить хорошие отношения

Как научить ребенка жить в цифровом мире и, может быть, научиться этому самим

Psychologies
Обзор TWS-гарнитуры Huawei FreeBuds 4i: четверка с плюсом Обзор TWS-гарнитуры Huawei FreeBuds 4i: четверка с плюсом

Наушники от Huawei показали образцовую автономность и отличное качество звучания

CHIP
Открыть в приложении