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

Почему в современном мире необходимо постоянно учиться и переучиваться Почему в современном мире необходимо постоянно учиться и переучиваться

Чтобы идти в ногу со временем, нужно постоянно учиться

Популярная механика
Летающее полено, которое не мог догнать никто: история безоружного бомбардировщика «Москито» Летающее полено, которое не мог догнать никто: история безоружного бомбардировщика «Москито»

Почти по рецепту из русских сказок…

Maxim
Это ловушка: анализы на онкомаркеры часто бесполезны и даже опасны Это ловушка: анализы на онкомаркеры часто бесполезны и даже опасны

Что такое онкомаркеры и как распознать рак?

Cosmopolitan
Новый мир в штате Чьяпас Новый мир в штате Чьяпас

Жизнь революционных сапатистов

Вокруг света
Запомните меня таким. Пятое поколение Honda CR-V станет последним Запомните меня таким. Пятое поколение Honda CR-V станет последним

Тест-драйв пятого поколения Honda CR-V начался с печальной новости

4x4 Club
«Кроватка», Rambler и интернет по карточкам: как выглядел рунет в 1990-е «Кроватка», Rambler и интернет по карточкам: как выглядел рунет в 1990-е

Как выглядело интернет-пространство в России более четверти века назад.

Популярная механика
Неидеальная любовь: через какие трудности прошел 10-летний брак Кейт и Уильяма Неидеальная любовь: через какие трудности прошел 10-летний брак Кейт и Уильяма

Какой на самом деле брак Кейт Миддлтон и принца Уильяма?

Cosmopolitan
Австралийские биологи опровергли редкость чистокровных динго Австралийские биологи опровергли редкость чистокровных динго

Австралийские динго, вопреки утверждениям, редко скрещиваются с собаками

N+1
Кондиционер и покрывала под запретом: 10 правил умного туриста от Лены Летучей Кондиционер и покрывала под запретом: 10 правил умного туриста от Лены Летучей

Почему нельзя включать кондиционер в номере и есть салаты со шведского стола

Cosmopolitan
5 причин посмотреть фильм про российскую Арктику и отправиться на край света 5 причин посмотреть фильм про российскую Арктику и отправиться на край света

Главные особенности фильма «Фьюжн» и почему на него стоит обратить внимание

Cosmopolitan
Не блещет умом и всегда готова к сексу: как мужчины оценивают нас по макияжу Не блещет умом и всегда готова к сексу: как мужчины оценивают нас по макияжу

Что именно пугает мужчин или сразу уводит в обидные заблуждения!

Cosmopolitan
Валерий Панюшкин: Девочка, которая выжила Валерий Панюшкин: Девочка, которая выжила

Где стираются границы между добром и злом и можно ли верить самому близкому?

СНОБ
Самые горячие мамочки сыновей: Решетова, Самойлова и другие звездные россиянки Самые горячие мамочки сыновей: Решетова, Самойлова и другие звездные россиянки

Красивые и знаменитые молодые мамы, которые воспитывают сыновей.

Cosmopolitan
Стоит ли свалить вину на коллегу и сохранить работу: отвечают Ницше, Макиавелли и Адам Смит Стоит ли свалить вину на коллегу и сохранить работу: отвечают Ницше, Макиавелли и Адам Смит

Отрывок из книги «Что бы сделал Ницше»

Forbes
8 больших американских романов, которые нужно прочитать 8 больших американских романов, которые нужно прочитать

Книги современных писателей, которые докажут: великий американский роман не умер

Esquire
Кто развивает BuildTech в России: кейсы Московского акселератора Кто развивает BuildTech в России: кейсы Московского акселератора

Строительство — одна из самых консервативных отраслей

Inc.
Любимые мужчины роковой красотки Оксаны Акиньшиной: от Шнурова до Козловского Любимые мужчины роковой красотки Оксаны Акиньшиной: от Шнурова до Козловского

Мужчины, которые очаровали Оксану Акиньшину

Cosmopolitan
Влюбчивая натура Влюбчивая натура

Некоторые замужние женщины увлекаются другими мужчинами. Надо ли с этим бороться

Лиза
Что есть, чтобы похудеть: 6 продуктов, которые помогут нормализовать вес Что есть, чтобы похудеть: 6 продуктов, которые помогут нормализовать вес

Список продуктов, которые помогают худеть и контролировать свой вес

РБК
От цифровых картинок с котятами до революции в сфере искусства. Как карантин помог NFT-арту завоевать популярность От цифровых картинок с котятами до революции в сфере искусства. Как карантин помог NFT-арту завоевать популярность

Оправдается ли ажиотаж вокруг цифрового искусства и чем чревата NFT-революция

Esquire
Сколько весят волосы? Ответ на вопрос, который не дает тебе покоя Сколько весят волосы? Ответ на вопрос, который не дает тебе покоя

Выясняем, сколько весят волосы на голове

Playboy
Ученые разрабатывают идеальный презерватив. Технологии, которые ты можешь вертеть не только в руках Ученые разрабатывают идеальный презерватив. Технологии, которые ты можешь вертеть не только в руках

Что делают ученые, чтобы мир наконец полюбил презервативы

Maxim
Кто такие инфоцыгане, или Эффект доктора Фокса Кто такие инфоцыгане, или Эффект доктора Фокса

Как и почему мы попадаемся на крючок псевдоэкспертов?

Psychologies
Пассивное курение вреднее обычного? Пассивное курение вреднее обычного?

Чем опасен дым и его остатки на одежде, волосах и мебели

Reminder
45 сантиметров за 50 лет 45 сантиметров за 50 лет

Как глубоко в недра Марса дошел прогресс

N+1
Кейт Миддлтон очаровала мужа королевы: что связывало герцогиню и принца Филиппа Кейт Миддлтон очаровала мужа королевы: что связывало герцогиню и принца Филиппа

Как юная Кейт заслужила любовь, доверие и уважение принца Филиппа

Cosmopolitan
Не одним вином и модой: какая Италия интересна российским инвесторам и почему Не одним вином и модой: какая Италия интересна российским инвесторам и почему

Италия могла бы стать подходящим местом для покупки совместных предприятий

Forbes
У стареющих звёзд оказалась необычно высокая скорость вращения У стареющих звёзд оказалась необычно высокая скорость вращения

В прошлом потеря скорости считалась незыблемым свойством звёзд, но это не так

Популярная механика
Что и как нужно пить во время занятий спортом Что и как нужно пить во время занятий спортом

Как правильно соблюдать питьевой баланс во время тренировок?

GQ
Что не так с новым фильмом «Мортал Комбат» Что не так с новым фильмом «Мортал Комбат»

Таким адаптациям видеоигр хочется сказать только одно — Finish Him

GQ
Открыть в приложении