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

Ретроспектива: 10 потрясающих научных открытий 2016 года Ретроспектива: 10 потрясающих научных открытий 2016 года

Каждый год продолжают совершаться открытия, неизменно поражающие воображение.

Популярная механика
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
На языке MAYA На языке MAYA

Как инновационный принцип готовит потребителя к понятному ему будущему

РБК
Морально устарели: 13 модных правил, которые ты можешь нарушить Морально устарели: 13 модных правил, которые ты можешь нарушить

Правила существуют, чтобы их нарушать — эта аксиома распространяется и на моду

Cosmopolitan
Формула счастья Формула счастья

Красочный и освежающий интерьер в эклектичном стиле

SALON-Interior
Биологи застали губок за передвижением по дну океана Биологи застали губок за передвижением по дну океана

Первый случай, когда перемещение губок задокументировали в их среде обитания

N+1
На очищенном от грызунов острове Лорд-Хау впервые с 2019 года увидели крыс. Их тут же убили На очищенном от грызунов острове Лорд-Хау впервые с 2019 года увидели крыс. Их тут же убили

На австралийском острове Лорд-Хау заметили двух черных крыс

N+1
10 приемов в макияже, которые раздражают мужчин 10 приемов в макияже, которые раздражают мужчин

Какие приемы мейкапа раздражаю парней больше всего

Cosmopolitan
К концу века в Арктике станет больше природных пожаров из-за молний К концу века в Арктике станет больше природных пожаров из-за молний

Из-за роста температуры и количества осадков молнии будут бить чаще

N+1
Заговорщики. О новом спектакле «Заговор чувств» в МХТ им. Чехова Заговорщики. О новом спектакле «Заговор чувств» в МХТ им. Чехова

Спектакль «Заговор чувств» по одноименной пьесе Юрия Олеши и роману «Зависть»

СНОБ
Весомый аргумент Весомый аргумент

Если вы худеете, но вес не уходит, дело может быть не в диете, а в психологии

Добрые советы
Как перестать быть «мамочкой» для своего мужа? Как перестать быть «мамочкой» для своего мужа?

Когда легко спутать заботу о возлюбленном с хлопотами о беспомощном ребенке

Psychologies
Полные карманы воспоминаний Полные карманы воспоминаний

Помните свои детские путешествия? Они как камушки в карманах

Seasons of life
«Филипп назвал Елизавету II по-французски»: прозвище королевы произвело фурор «Филипп назвал Елизавету II по-французски»: прозвище королевы произвело фурор

Герцог Эдинбургский славился своим характером, юмором и любовью к жене

Cosmopolitan
Топ-9 компьютерных игр про СССР Топ-9 компьютерных игр про СССР

Виртуальный коммунизм и виртуальная клюква ждут тебя! Компьютерные игры про СССР

Maxim
Нырок в глубину: зачем нужен самоанализ Нырок в глубину: зачем нужен самоанализ

Чем вызван интерес к своей внутренней жизни и для чего нужно знание себя?

Psychologies
Внутренний страж: когда стоит прислушаться к собственному страху и интуиции Внутренний страж: когда стоит прислушаться к собственному страху и интуиции

Ева Холланд разбирается, что заставляет нас сжиматься от страха

Forbes
Повышение болевого порога у рыжих объяснили работой меланоцитов Повышение болевого порога у рыжих объяснили работой меланоцитов

У мышей с рыжей шерстью болевой порог оказался повышен из-за работы меланоцитов

N+1
Как перестать заедать стресс? Как перестать заедать стресс?

Как избавиться от привычки переедать?

Здоровье
«Здесь плохо пахнет…»: где и когда человечество применяло химическое оружие «Здесь плохо пахнет…»: где и когда человечество применяло химическое оружие

Краткая летопись использования химического оружия во время Первой мировой

Maxim
Как с возрастом преобразились Орбакайте, Брежнева и другие российские поп-звезды Как с возрастом преобразились Орбакайте, Брежнева и другие российские поп-звезды

Некоторым певицам время только к лицу

Cosmopolitan
Как животные входили в историю кино Как животные входили в историю кино

Живые или мертвые: животные в истории кино

Weekend
Исчезающий кулик из России долетел до восточного побережья Австралии Исчезающий кулик из России долетел до восточного побережья Австралии

На восточном побережье Австралии впервые встретили очень редкого охотского улита

N+1
«У тебя будет братик»: как мы готовим дочку к рождению второго ребенка «У тебя будет братик»: как мы готовим дочку к рождению второго ребенка

Как подготовиться к рождению второго ребенка?

Psychologies
Лучшие аркады для ПК: топ-6 самых интересных игр Лучшие аркады для ПК: топ-6 самых интересных игр

Лучшие аркадные игры для компьютера, которые все еще актуальны

CHIP
Какие гаджеты пришли в нашу жизнь из космоса Какие гаджеты пришли в нашу жизнь из космоса

Изобретения, которые изначально предназначались для космоса

Популярная механика
Штраф за щедрость: кто самый богатый бизнесмен в мире с учетом трат на благотворительность Штраф за щедрость: кто самый богатый бизнесмен в мире с учетом трат на благотворительность

Их богатства — не деньги в банке, а их компании, которым нужно развиваться

Forbes
Группа Manicure возвращается спустя 7 лет молчания Группа Manicure возвращается спустя 7 лет молчания

Новый альбом группы Manicure: зачем он понадобился и почему его стоит послушать

GQ
Один раз в год Один раз в год

Лучшие цветущие сады России

Лиза
Как авторитетно разруливать конфликты cвоих детей Как авторитетно разруливать конфликты cвоих детей

Yесколько техник, которые помогут установить относительный мир и покой в доме

Maxim
Открыть в приложении