RW Space

Когда лопасти несущего винта вертолета приближаются к скорости звука, ситуация может стать немного рискованной.

При скорости выше 0,8 Маха ударные волны, сопротивление, нестабильный поток и турбулентность могут создавать значительные напряжения, которые не возникают на более низких скоростях.

Здесь, на Земле, эту проблему можно решить с помощью обширных испытаний и умных инженерных решений. Разработка корабля, способного работать в условиях инопланетной аэродинамики Марса, — это совсем другое дело.

Вертолет Perseverance Ingenuity полностью работал в дозвуковом режиме со скоростью ниже 0,7 Маха — выбор был сделан во избежание аэродинамических сюрпризов, потенциально способных завершить миссию, на первом человеческом самолете с двигателем на другой планете.

Марсианский вертолет следующего поколения, который в настоящее время разрабатывается в рамках проекта SkyFall, будет труднее. В моделируемой марсианской атмосфере инженеры НАСА довели скорость роторов до 1,08 Маха — скорости, которая значительно расширяет возможности следующего вертолета.

«Успешные испытания этих роторов стали важным шагом на пути к доказательству возможности полета в более сложных условиях, что является ключевым моментом для транспортных средств следующего поколения», — говорит специалист по аэродинамике Шанна Уитроу-Мазер из Исследовательского центра Эймса НАСА в Силиконовой долине.

«Мы подумали нам повезет, если мы достигнем скорости 1,05 Маха, а в наших последних полетах мы достигли 1,08 Маха. Мы все еще копаемся в данных, и, возможно, тяга будет еще больше. Эти вертолеты следующего поколения будут потрясающими.»

Хотя Земля и Марс имеют много общего, даже небольшие различия в свойствах атмосферы могут изменить способ работы самолета. И различия не малы: атмосфера Марса очень тонкая, всего на 1–2 процента плотнее земной.

Ingenuity, прибывший на Марс с марсоходом Perseverance в январе 2021 года, стал смелым экспериментом, призванным проверить, возможен ли полет на роторном двигателе на Красной планете, а также собрать данные о летных характеристиках, которые могли бы помочь в разработке будущих вертолетов.

Первоначально планировалось совершить всего пять полетов. Прежде чем разбиться в 2024 году, он совершил 72 полета, но не из-за летного аппарата, а потому, что не смог измерить расстояние от земли во время снижения.

Относительно консервативный план миссии имел решающее значение, поскольку он дал земным инженерам детальное представление об аэродинамике Марса, которое можно было использовать в новых самолетах. Ingenuity шла, чтобы SkyFall мог бежать.

«Если бы Чак Йегер был здесь, он бы сказал вам, что на скорости около 1 Маха все может пойти вразнос», — говорит инженер Яакко Каррас из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL).

«Имея это в виду, мы планировали полеты Ingenuity так, чтобы кончики лопастей несущего винта оставались на скорости 0,7 Маха при отсутствии ветра, чтобы, если мы столкнемся с марсианским встречным ветром, пока в полете законцовки несущего винта не станут сверхзвуковыми.

«Но мы хотим большей производительности от нашего марсианского самолета следующего поколения. Нам нужно было знать, что наши роторы могут безопасно двигаться быстрее».

Поскольку атмосфера Марса намного тоньше земной, звуковой барьер, известный как 1 Маха, имеет гораздо меньшую скорость – около 869 километров в час (540 миль в час) по сравнению с 1225 километрами в час (761 миля в час) на уровне моря на Земле.

Для проверки конструкции ротора в Лаборатории реактивного движения имеется специальная камера, в которой давление воздуха снижается для имитации атмосферных условий Марса. Он также усилен, чтобы в случае поломки лопасти он не пролетел через лабораторию и не застрял во чем-то важном.

В этой камере команда протестировала две конструкции ротора – одну с тремя лопастями и одну с двумя – под наблюдением из ближайшей диспетчерской.

Роторы трехлопастной конструкции вращались со скоростью до 3750 об/мин, а это означает, что кончики достигали скорости 0,98 Маха.

двухлопастному ротору с более длинными лопастями достаточно было достичь скорости около 3570 об/мин, чтобы достичь той же скорости 0,98 Маха. Для сравнения: скорость лопастей ротора Ingenuity никогда не превышала 2700 об/мин.

Затем внутри камеры включался вентилятор, создавая встречный ветер. В конечном итоге кончики ротора достигли максимальной скорости в Маха. 1.08.

По теме: НАСА раскрывает новый дизайн марсианского вертолета, вдохновленный успехом Ingenuity

Это резко увеличивает подъемную силу примерно на 30 процентов, что позволит следующему вертолету нести более тяжелые полезные нагрузки, чем Ingenuity. Это означает, что на борту можно будет разместить больше научных инструментов.

Если все пойдет по плану, миссия SkyFall будет запущена ближе к концу 2028 года. По данным НАСА, на борту находятся три вертолета.

Эти вертолеты помогут разведывать места высадки людей и составлять карты водяного льда под поверхностью Марса.