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

«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
По следам «Слепка»: что такое танец в музее и зачем он нужен зрителю По следам «Слепка»: что такое танец в музее и зачем он нужен зрителю

Какие связи устанавливает танец между скульптурой, живописью и хореографией?

РБК
Болезни старости и старость как болезнь Болезни старости и старость как болезнь

Алексей Москалев – о биологических основах старения и о том, как с ним бороться

Популярная механика
«45 – баба ягодка опять»: Вспоминаем главные достижения Apple в честь юбилея «45 – баба ягодка опять»: Вспоминаем главные достижения Apple в честь юбилея

Самые яркие события в истории компании Apple

Популярная механика
50 величайших приключений на планете 50 величайших приключений на планете

Самые невероятные приключения, какие только можно организовать на нашей планете

Men’s Health
Очень стыдно! Конфузы Лоуренс и других звезд во время экранных поцелуев Очень стыдно! Конфузы Лоуренс и других звезд во время экранных поцелуев

Актеры не всегда вспоминают об экранных поцелуях трепетом и удовольствием

Cosmopolitan
Воспоминание о будущем. О «Новой Москве», которую запретили Воспоминание о будущем. О «Новой Москве», которую запретили

Воображаемая столица будущего

СНОБ
Астрономы нашли два новых скопления галактик Астрономы нашли два новых скопления галактик

Астрономы подвели итоги обзора неба CHiPS

N+1
«Уроки Фарси» - наше кино, за которое не стыдно «Уроки Фарси» - наше кино, за которое не стыдно

Почему ее стоит посмотреть «Уроки Фарси»

Cosmopolitan
Угнетенные цифрой: как технологические изменения ведут к нарастанию социальной напряженности Угнетенные цифрой: как технологические изменения ведут к нарастанию социальной напряженности

Развитие технологий очень тесно связано с динамикой неравенства во всем мире

Forbes
Как новинки автопрома проваливали краш-тесты. 11 неловких видео Как новинки автопрома проваливали краш-тесты. 11 неловких видео

Разбитый вдребезги Jeep Wrangler и еще несколько провальных краш-тестов

РБК
«Женщина в космосе — это политический ход». История инженера, которая создает и запускает на орбиту наноспутники «Женщина в космосе — это политический ход». История инженера, которая создает и запускает на орбиту наноспутники

Инженерка Валерия Мельникова — хочет ли полететь в космос и над чем работает

СНОБ
Фотограф Георгий Кардава — о взгляде на героев и тиндеризации общества Фотограф Георгий Кардава — о взгляде на героев и тиндеризации общества

Фотограф Георгий Кардава — о своей работе, фотографии и Линдберге

РБК
Семь простых принципов экологичного дома Семь простых принципов экологичного дома

Познакомьтесь с новой концепцией экологичного дома Well-стандарта

Домашний Очаг
20 актерских работ, претендующих на «Оскар» – от худшей к лучшей 20 актерских работ, претендующих на «Оскар» – от худшей к лучшей

Представьте, что оскаровских категорий не существует

Esquire
Полеты во сне и наяву. О книге Александра Соколянского «Театр+Театр=театр» Полеты во сне и наяву. О книге Александра Соколянского «Театр+Театр=театр»

Книга театрального критика Александра Соколянского «Театр + Театр = театр».

СНОБ
Фальшивая весна Фальшивая весна

Почему апрель на календаре не радует, щебет птиц раздражает и не хочется ничего

Добрые советы
7 толстяков, невероятно популярных у женщин 7 толстяков, невероятно популярных у женщин

Ударим мужским бодипозитивом по двойным стандартам и слащавым красавчикам!

Maxim
«Это не та квантовость» «Это не та квантовость»

Михаил Кацнельсон — об опасностях редукционизма и квантовости нейросетей

N+1
Я решила рожать! Звездные россиянки, сохранившие беременность после предательств Я решила рожать! Звездные россиянки, сохранившие беременность после предательств

Известные россиянки не испугались взять ответственность за двоих

Cosmopolitan
7 интересных фактов о научно-фантастических фильмах 7 интересных фактов о научно-фантастических фильмах

Интереснее фантастики в кино может быть только то, что стоит за ее созданием

Maxim
Свобода для врача: почему лечение заключенных не должно зависеть от начальников колоний Свобода для врача: почему лечение заключенных не должно зависеть от начальников колоний

Повод задуматься о состоянии российской тюремной системы

Forbes
Надо просто не дать воде уйти Надо просто не дать воде уйти

Водоснабжение Крыма можно организовать под землей

Наука
Елизавета I: королева поэтов и пиратов Елизавета I: королева поэтов и пиратов

Елизавета Английская боялась быть казнённой своим отцом или единокровной сестрой

Дилетант
ALMA отыскала 43 протозвезды в центре Млечного Пути ALMA отыскала 43 протозвезды в центре Млечного Пути

Это означает, что процессы звездообразования более устойчивы, чем считалось

N+1
Исследование: половина жертв харассмента не борется с агрессорами и не сообщает о них Исследование: половина жертв харассмента не борется с агрессорами и не сообщает о них

Сеть взаимопомощи женщин #ТыНеОдна запустила проект о проблеме харассмента

Forbes
Жертвы хищников докембрия? Жертвы хищников докембрия?

Результаты исследования древнейших одноклеточных

Наука и жизнь
Очаровательные молодые красотки! Как выглядят жены звезд сериала «Жуки» Очаровательные молодые красотки! Как выглядят жены звезд сериала «Жуки»

Актеров сериала «Жуки» поддерживают их супруги

Cosmopolitan
Как мужчины покоряют рынок NFT Как мужчины покоряют рынок NFT

The Weeknd, Эминем и Пеле внесли свою лепту в развитие новой цифровой технологии

GQ
Как выглядят звезды культового фильма «Интердевочка»: Елена Яковлева и другие Как выглядят звезды культового фильма «Интердевочка»: Елена Яковлева и другие

Судьбы актрис, сыгравших в знаковом фильме «Интердевочка» Петра Тодоровского

Cosmopolitan
Открыть в приложении