NASA сделало важный шаг к созданию нового поколения летательных аппаратов для Марса. Инженеры Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) успешно испытали экспериментальные роторные лопасти, предназначенные для будущих марсианских вертолетов. Во время тестов кончики лопастей впервые превысили скорость звука — показатель Mach 1 — при условиях, имитирующих атмосферу Красной планеты.
Испытания проводились в специальной вакуумной камере 25-Foot Space Simulator в JPL, где инженеры могут воспроизводить крайне разреженную атмосферу Марса. Согласно опубликованным данным, новые роторы выдержали сверхзвуковые скорости без разрушения конструкции.
Для NASA это не просто инженерный рекорд. Испытания напрямую связаны с разработкой будущих марсианских летательных аппаратов, которые должны быть намного крупнее и мощнее знаменитого вертолета Ingenuity.
Почему полеты на Марсе настолько сложны
На первый взгляд Марс кажется подходящим местом для авиации: гравитация там примерно в 2,6 раза слабее земной. Однако главная проблема заключается в атмосфере.
Атмосфера Марса примерно в 100 раз менее плотная, чем земная. Это создает огромные трудности для полета. Вертолету приходится вращать лопасти с очень высокой скоростью, чтобы создать достаточную подъемную силу.
Именно поэтому Ingenuity работал на экстремальных оборотах — около 2400–2900 оборотов в минуту. Для сравнения, многие земные вертолеты используют значительно меньшие скорости вращения роторов.
На Марсе инженеры фактически вынуждены работать на границе аэродинамических возможностей.
Что именно тестировало NASA
Новые испытания были посвящены роторам следующего поколения, предназначенным для более крупных марсианских аппаратов.
Во время тестов инженеры разгоняли кончики лопастей до сверхзвуковых скоростей. Наиболее быстро движущиеся части ротора превысили Mach 1 — скорость звука относительно окружающей среды.
На Земле подобные режимы обычно крайне нежелательны для вертолетов. Когда кончики лопастей приближаются к скорости звука, резко возрастают:
- вибрации;
- аэродинамическое сопротивление;
- турбулентность;
- нагрузки на конструкцию.
Но для Марса инженеры вынуждены рассматривать даже такие экстремальные режимы, поскольку разреженная атмосфера требует значительно большей скорости роторов.
Исследователи хотели понять, способны ли новые материалы и геометрия лопастей выдерживать подобные нагрузки.
Почему Ingenuity изменил всю программу исследования Марса
Испытания стали прямым продолжением успеха Ingenuity — первого вертолета, совершившего управляемый полет на другой планете.
Изначально Ingenuity создавался как технологический демонстратор и должен был выполнить всего пять коротких полетов. Однако аппарат превзошел ожидания NASA.
За время миссии вертолет:
- совершил 72 полета;
- налетал более двух часов;
- преодолел свыше 17 километров;
- работал почти три года вместо одного месяца.
Ingenuity доказал, что воздушная разведка на Марсе действительно возможна.
Вертолет помогал марсоходу Perseverance:
- выбирать маршруты;
- изучать труднопроходимую местность;
- фотографировать объекты с воздуха;
- искать интересные геологические структуры.
После этого NASA начало активно изучать концепции более крупных летательных аппаратов.
Новый марсианский вертолет будет значительно больше
Будущие марсианские вертолеты должны стать гораздо более сложными машинами.
NASA уже рассматривает концепции аппаратов, способных:
- перевозить научные приборы;
- исследовать труднодоступные районы;
- выполнять автономную разведку;
- доставлять образцы грунта;
- поддерживать пилотируемые миссии в будущем.
Некоторые проекты предполагают создание аппаратов массой в десятки килограммов — значительно тяжелее Ingenuity, который весил всего около 1,8 кг.
Но увеличение массы означает необходимость создания более мощных роторов. Именно поэтому NASA сейчас тестирует сверхзвуковые режимы работы лопастей.
Как NASA испытывает технику для Марса на Земле
Для проверки новых роторов NASA использовало гигантскую вакуумную камеру в JPL.
Внутри камеры создавались условия, близкие к марсианским:
- очень низкое давление;
- атмосфера из углекислого газа;
- имитация низкой плотности воздуха.
Подобные испытания крайне сложны, поскольку на Земле невозможно полностью воспроизвести марсианскую гравитацию. Поэтому инженерам приходится использовать дополнительные системы компенсации веса и сложные методы моделирования.
Именно в таких установках ранее проходил испытания Ingenuity перед отправкой на Марс.
Почему скорость звука на Марсе отличается от земной
Интересно, что скорость звука на Марсе ниже, чем на Земле.
Это связано с:
- низкой температурой атмосферы;
- другим химическим составом;
- крайне малой плотностью воздуха.
Средняя скорость звука на Марсе составляет примерно 240 м/с против около 343 м/с на Земле. Поэтому достижение Mach 1 на Марсе происходит при меньшей абсолютной скорости. Однако это не делает задачу проще — аэродинамика в сверхразреженной атмосфере остается крайне сложной.
Кроме того, при сверхзвуковом движении на концах лопастей возникают ударные волны и сложные турбулентные эффекты.
NASA разрабатывает новые формы лопастей
Одновременно с испытаниями NASA и научные группы работают над новой аэродинамикой роторов.
Недавние исследования показывают, что новые профили лопастей способны создавать больше подъемной силы при меньнем сопротивлении.
В одной из работ сравнивались старые лопасти Ingenuity с новым экспериментальным профилем roamx-0201. Моделирование показало:
- улучшение аэродинамической эффективности;
- снижение сопротивления;
- лучшие характеристики при срыве потока;
- рост максимальной подъемной силы примерно на 20%.
Для Марса это критически важно, поскольку каждый дополнительный процент эффективности позволяет перевозить больше научного оборудования.
Что произошло с Ingenuity
Разработка новых роторов также учитывает опыт аварии Ingenuity.
В январе 2024 года вертолет завершил миссию после жесткой посадки. Позднее NASA пришло к выводу, что система навигации потеряла ориентацию над однообразной песчаной поверхностью.
Аппарат получил повреждения роторов и больше не смог летать.
Однако даже после завершения полетов Ingenuity продолжает передавать инженерные данные через марсоход Perseverance. Эти данные используются при проектировании новых аппаратов.
Почему вертолеты могут изменить исследование Марса
Марсоходы обладают серьезными ограничениями:
- они движутся медленно;
- не могут преодолевать крутые склоны;
- ограничены рельефом;
- требуют тщательного выбора маршрута.
Вертолеты способны решать многие из этих проблем.
Они могут быстро исследовать:
- каньоны;
- кратеры;
- скальные обрывы;
- лавовые трубки;
- труднодоступные геологические районы.
Некоторые ученые считают, что именно воздушные аппараты могут стать главным инструментом исследования Марса в ближайшие десятилетия.
Особенно важны такие системы для будущих пилотируемых миссий. Вертолеты могут использоваться для:
- разведки местности;
- доставки грузов;
- поиска безопасных маршрутов;
- инспекции оборудования;
- оперативных научных исследований.
Следующая цель — полноценные научные вертолеты
После успеха Ingenuity NASA уже изучает концепцию Mars Science Helicopter.
Это будет намного более крупный аппарат с развитой автономностью и полноценным научным оборудованием.
Проекты предполагают:
- длительные автономные полеты;
- исследование десятков километров за одну миссию;
- самостоятельное принятие решений;
- сложную навигацию без постоянного контроля с Земли.
Такие аппараты должны работать практически самостоятельно, поскольку задержка сигнала между Землей и Марсом делает прямое управление невозможным.
Испытания сверхзвуковых роторов — только начало
NASA подчеркивает, что нынешние тесты являются лишь одним из этапов долгосрочной программы.
Инженерам еще предстоит решить множество проблем:
- снижение вибраций;
- повышение надежности роторов;
- улучшение автономной навигации;
- защита от марсианской пыли;
- работа при экстремально низких температурах.
Однако само достижение сверхзвуковой скорости лопастей в условиях, близких к марсианским, стало важным доказательством того, что более тяжелые и мощные воздушные аппараты для Марса технически возможны.
Фактически NASA постепенно переходит от эпохи экспериментальных полетов к разработке полноценной марсианской авиации.
Источники:
Статья создана по материалам jpl.nasa.gov
