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

5 ошибочных представлений о любви у мужчин, от которых стоит избавиться 5 ошибочных представлений о любви у мужчин, от которых стоит избавиться

Токсичные и нездоровые представления об отношениях

Playboy
Только не три! Как исправить неудачное окрашивание бровей Только не три! Как исправить неудачное окрашивание бровей

Как скорректировать цвет бровей в домашних условиях?

Cosmopolitan
Люсьен и булочки: кулинарные «провалы», которые стали настоящими хитами Люсьен и булочки: кулинарные «провалы», которые стали настоящими хитами

Не только в жизни, но и в кулинарии промах иногда оборачивается победой

Psychologies
Прокачать лицо: 5 мифов о модном фейсбилдинге - ты удивишься! Прокачать лицо: 5 мифов о модном фейсбилдинге - ты удивишься!

Разбираемся в популярных ошибках, которые совершают фанаты фейсбилдинга

Cosmopolitan
Не гаремом единым: турецкий сериал «Моя мама», который заставит вас плакать Не гаремом единым: турецкий сериал «Моя мама», который заставит вас плакать

«Моя мама» – это не очередной турецкий сериал про гарем и черную любовь

Cosmopolitan
«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
6 фильмов об аферистах и обаятельных обманщиках, которые стоит посмотреть 6 фильмов об аферистах и обаятельных обманщиках, которые стоит посмотреть

Почему фильмы вроде «Аферистки», «Каджиллионера» и «Стриптизерш» так неотразимы

Esquire
Детский ад: исчерпывающее пособие, как детей нужно рожать, воспитывать и отмазывать от армии Детский ад: исчерпывающее пособие, как детей нужно рожать, воспитывать и отмазывать от армии

Дети могут случиться со всеми

Maxim
8 признаков по-настоящему хорошего друга 8 признаков по-настоящему хорошего друга

Чек-лист для проверки того, насколько вы хороший друг

Psychologies
Суровый стиль Суровый стиль

Джейсон Стэйтем. Как герой мемов о скупой мимике стал последним киногероем

GQ
Шарлотта Макконахи: Миграции. Отрывок из нового романа Шарлотта Макконахи: Миграции. Отрывок из нового романа

Отрывок из романа Шарлотты Макконахи о бегстве от своего прошлого и поиске себя

СНОБ
Как украинские поп-звезды зажигали на «Евровидении»: Лобода, Лорак и другие Как украинские поп-звезды зажигали на «Евровидении»: Лобода, Лорак и другие

Как на «Евровидении» вызывали фурор представительницы соседней страны

Cosmopolitan
Тратят карманные деньги на благотворительность: как тинейджеры и студенты становятся филантропами Тратят карманные деньги на благотворительность: как тинейджеры и студенты становятся филантропами

Почему молодежь увлекается филантропией и как вовлечь ее в свои проекты

Forbes
Михаил Зыгарь: «Я мечтаю о том, что зависит от меня» Михаил Зыгарь: «Я мечтаю о том, что зависит от меня»

Михаил Зыгарь – o друзьях, популярности и приключениях

Cosmopolitan
Стесняюсь спросить: можно ли исправить прикус и сделать зубы ровными в сжатые сроки? Стесняюсь спросить: можно ли исправить прикус и сделать зубы ровными в сжатые сроки?

Сколько времени займет процесс получения «голливудской» улыбки?

Esquire
Первым было яйцо Первым было яйцо

Похудеть помогут блюда из яиц

Худеем правильно
Как перестать заедать стресс? Как перестать заедать стресс?

Как избавиться от привычки переедать?

Здоровье
Два колеса и чудеса Два колеса и чудеса

Краткий экскурс по необычным велосипедам

N+1
16 неожиданных фактов о Википедии 16 неожиданных фактов о Википедии

Википедия знает почти все обо всем, а что мы знаем о Википедии?

Maxim
Голая грудь и постельные сцены: самые чувственные видео с Альбиной Джанабаевой Голая грудь и постельные сцены: самые чувственные видео с Альбиной Джанабаевой

С годами Альбина Джанабаева стала еще красивее и женственнее

Cosmopolitan
Проблема – налицо Проблема – налицо

Усталость или признаки развивающихся заболеваний?

Лиза
$500 000 за биткоин: куда движется криптоиндустрия и на что обратить внимание $500 000 за биткоин: куда движется криптоиндустрия и на что обратить внимание

Образовался ли на криптовалютном рынке пузырь

Forbes
Уже не девочки: всё о личной жизни юных героинь из популярных сериалов нулевых Уже не девочки: всё о личной жизни юных героинь из популярных сериалов нулевых

Эти девочки прославились своими ролями в нулевые. А как они поживают сегодня?

Cosmopolitan
Компании, увеличивающие количество женщин в руководстве, меньше рискуют — но более открыты к переменам Компании, увеличивающие количество женщин в руководстве, меньше рискуют — но более открыты к переменам

К чем приводит гендерное разнообразие в топ-менеджменте

Inc.
В чепце и фартуке: журналистка под прикрытием в домах английских аристократов В чепце и фартуке: журналистка под прикрытием в домах английских аристократов

Элизабет Бэнкс показала, как среди аристократов живут низшие слои общества

Cosmopolitan
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
Еще пять известных вещей, которых никогда на самом деле не существовало Еще пять известных вещей, которых никогда на самом деле не существовало

Вещи, которые, по убеждению большинства, существовали, а на самом деле — нет

Maxim
Для чего в советской Москве построили дома-бублики? Для чего в советской Москве построили дома-бублики?

История архитектурного эксперимента в советском спальном районе.

Maxim
Деревянный небоскреб, экологически чистый мусоросжигательный завод и еще три самых технологичных здания мира Деревянный небоскреб, экологически чистый мусоросжигательный завод и еще три самых технологичных здания мира

Самые технологичные здания мира

Популярная механика
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
Открыть в приложении