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

Телаурус: как использовать язык тела в своих интересах Телаурус: как использовать язык тела в своих интересах

Невербальное общение — это самая что ни на есть мужская стихия

Maxim
«Иуда и Черный мессия» о войне полиции и Черных пантер — самый спорный фильм этого «Оскара» «Иуда и Черный мессия» о войне полиции и Черных пантер — самый спорный фильм этого «Оскара»

Почему стоит смотреть «Иуда и Черный мессия» и ждать ли от него сюрпризов

Esquire
Неудачный подарок разрушил отношения двух подруг Неудачный подарок разрушил отношения двух подруг

Обидеть другого можно, даже приняв неудачный подарок

Psychologies
Как лечиться от фобий Как лечиться от фобий

Чтобы избавиться от собственных страхов

СНОБ
Ищете одобрения окружающих? Узнайте, как бороться с этой зависимостью Ищете одобрения окружающих? Узнайте, как бороться с этой зависимостью

Что, если одобрение окружающих – самая настоящая зависимость

Psychologies
«Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма» «Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма»

Как строятся модели генерации магнитного пол

N+1
Кровать вашей мечты Кровать вашей мечты

Самые важные советы экспертов по спальным принадлежностям

Домашний Очаг
Устройство мозга древнейших людей оказалось ближе к обезьяньему Устройство мозга древнейших людей оказалось ближе к обезьяньему

Это не помешало им стать первыми людьми, покинувшими Африку

N+1
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
Модель Кадырова. Почему вечным губернатором способен быть только глава Чечни Модель Кадырова. Почему вечным губернатором способен быть только глава Чечни

Старейшим губернатором России оказался Рамзан Кадыров

СНОБ
Восстановление после родов: 5 советов, чтобы прийти в форму и не сойти с ума Восстановление после родов: 5 советов, чтобы прийти в форму и не сойти с ума

Разбираемся, как и когда правильно восстанавливаться после родов

Cosmopolitan
Любимые женщины Владимира Кузьмина: актриса, певица, модель, яхтсменка и другие Любимые женщины Владимира Кузьмина: актриса, певица, модель, яхтсменка и другие

Лидер группы «Динамик» может похвастаться не только творческими достижениями

Cosmopolitan
Как худеют Адриана Лима, Миранда Керр и другие ангелы Victoria’s Secret Как худеют Адриана Лима, Миранда Керр и другие ангелы Victoria’s Secret

Ангелы Victoria’s Secret всегда в отличной форме. В этом им помогают диеты

Cosmopolitan
Лежачие полицейские защитили занзибарских колобусов от гибели под колесами машин Лежачие полицейские защитили занзибарских колобусов от гибели под колесами машин

Редкие обезьяны с острова Занзибар нередко гибнут под колесами машин

N+1
Полина Гагарина и еще 6 звезд, которые вдохновят на похудение Полина Гагарина и еще 6 звезд, которые вдохновят на похудение

Вдохновляющую подборка с секретами похудевших знаменитостей

Cosmopolitan
10 самых красивых актрис российских сериалов 10 самых красивых актрис российских сериалов

10 актрис отечественных сериалов, которые завоевали сердца всех телезрителей

Cosmopolitan
7 вещей, которые можно и нужно использовать не по назначению 7 вещей, которые можно и нужно использовать не по назначению

Когда купил что-то одно, а используешь с двойной выгодой!

Maxim
Из-за пандемии сотрудники с детьми чаще выгорают. Вот 3 способа им помочь Из-за пандемии сотрудники с детьми чаще выгорают. Вот 3 способа им помочь

3 совета менеджерам, которые хотят уберечь своих подчиненных от выгорания

Inc.
Ювелир Илья Клюев о том, почему бижутерия не заменит настоящие ювелирные изделия Ювелир Илья Клюев о том, почему бижутерия не заменит настоящие ювелирные изделия

Известный ювелир, владелец российского ювелирного дома CLUEV - Илья Клюев

Cosmopolitan
Китайские физики экспериментально опровергли квантовое превосходство Sycamore Китайские физики экспериментально опровергли квантовое превосходство Sycamore

Алгоритм, который заставляет пересмотреть представления о квантовом ускорении

N+1
Капсулы с ферментом помогли пластику разложиться Капсулы с ферментом помогли пластику разложиться

Поликапролактон с инкапсулированным ферментом можно разложить за 24 часа

N+1
15 научных доказательств пользы секса 15 научных доказательств пользы секса

Почему секс полезен для здоровья

Maxim
Запрет на поцелуи и кража еды: шокирующие методы воспитания детей в семьях звезд Запрет на поцелуи и кража еды: шокирующие методы воспитания детей в семьях звезд

Звезды удивят тебя своими принципами воспитания детей

Cosmopolitan
Момент истины: можно ли есть яйца каждый день Момент истины: можно ли есть яйца каждый день

Сколько яиц можно есть в неделю без вреда для здоровья?

Cosmopolitan
Как учиться онлайн: правила самоорганизации и ментального здоровья Как учиться онлайн: правила самоорганизации и ментального здоровья

Как не забросить онлайн-образование, став жертвой собственной прокрастинации

РБК
Слезы от счастья и из-за потери: самые трогательные моменты на премии «Оскар» Слезы от счастья и из-за потери: самые трогательные моменты на премии «Оскар»

События «Оскара», которые мы до сих пор вспоминаем с восторгом и трепетом

Cosmopolitan
Что делать, если не помогает психотерапия? Записаться на бокс Что делать, если не помогает психотерапия? Записаться на бокс

Ничего не хочется? Нужно записаться на бокс

GQ
Гитарист группы Queen опубликовал занимательное исследование, посвященное форме астероидов Гитарист группы Queen опубликовал занимательное исследование, посвященное форме астероидов

Команда ученых смоделировала на суперкомпьютере рождение множества астероидов

Популярная механика
История становления Instagram на основе книги “No Filter”: от создания до сделки с Facebook и ухода основателей История становления Instagram на основе книги “No Filter”: от создания до сделки с Facebook и ухода основателей

Выжимка книги журналистки Bloomber Сары Фрайер «No Filter. История Instagram»

VC.RU
Режиссер Семен Серзин — об «Общаге-на-Крови». Общага как пример антиутопии по-русски Режиссер Семен Серзин — об «Общаге-на-Крови». Общага как пример антиутопии по-русски

Какое место общага занимает в российской культуре

СНОБ
Открыть в приложении