Инженеры Лаборатории реактивного движения (JPL) NASA в Пасадене, штат Калифорния, успешно продемонстрировали, что лопасти роторов их марсианского вертолета нового поколения могут без повреждений преодолевать скорость звука. В ходе недавних испытаний трехлопастной ротор достиг скорости, эквивалентной 1,08 Маха, в условиях, имитирующих марсианскую атмосферу. Это позволило увеличить подъемную силу на 30% без каких-либо деформаций или поломок лопастей.
Вызовы марсианского полета
Создание летательного аппарата, способного работать на Марсе, является колоссальной задачей. Красная планета имеет плотность атмосферы, составляющую примерно 1% от земной, что означает, что каждый набранный метр высоты требует непропорционально больших усилий. Чтобы создать значительную подъемную силу в такой разреженной, почти вакуумной среде, есть только два основных подхода: увеличить скорость вращения лопастей или сделать их длиннее. Оба этих пути ведут к достижению скорости звука, где аэродинамические характеристики становятся крайне непредсказуемыми.
Звуковой барьер на Марсе
Особенность ситуации заключается в том, что скорость звука (1 Мах) не является фиксированной величиной. На уровне моря на Земле она составляет около 1223 км/ч. На Марсе же, где тонкая, холодная атмосфера в основном состоит из углекислого газа, звуковой барьер находится ближе к 869 км/ч. Преодоление его на любой планете означает вход в физическую область, где ударные волны могут внезапно разрушить конструкцию ротора.
Опыт Ingenuity и новые цели
Именно поэтому вертолет NASA Ingenuity, который 19 апреля 2021 года вошел в историю как первый управляемый летательный аппарат, совершивший полет на другой планете, намеренно не приближался к этому порогу. Его композитные роторы, покрытые пеноматериалом, никогда не превышали 2700 оборотов в минуту за 72 полета, поддерживая скорость кончиков лопастей на уровне не более 0,7 Маха.
По словам Яакко Карраса, руководителя испытаний роторов в JPL, знаменитый летчик-испытатель Чак Йегер подтвердил бы, что на скоростях, близких к 1 Маху, поведение аппарата становится очень неустойчивым. С учетом этого, полеты Ingenuity планировались таким образом, чтобы кончики лопастей не превышали 0,7 Маха при отсутствии ветра, дабы избежать сверхзвуковых скоростей при встречном марсианском ветре. Однако для следующего поколения марсианских аппаратов требуется значительно большая производительность, и необходимо было убедиться, что роторы могут безопасно работать на более высоких скоростях.
Детали испытаний
Испытания проводились в исторической 7,6-метровой космической камере-симуляторе JPL — помещении, способном воспроизводить условия марсианской поверхности. Инженеры откачали воздух, заменили его углекислым газом низкой плотности и подвергли ротор возрастающим скоростям, одновременно обдувая его имитированными порывами ветра.
Для сохранения целостности лопастей команда облицевала часть стен камеры стальными листами на случай их разрушения на сверхзвуковом пороге. После 137 тестовых запусков защитное экранирование не понадобилось. Кончики роторов достигли скорости 1,08 Маха, и лопасти выдержали нагрузку.
Проект SkyFall: Будущее марсианских полетов
Роторы были разработаны и изготовлены компанией AeroVironment в Сими-Вэлли, штат Калифорния. Были протестированы две конфигурации: трехлопастной ротор и немного более длинный двухлопастной ротор из проекта SkyFall, который приближался к сверхзвуковым скоростям при 3570 оборотах в минуту.
SkyFall представляет собой следующий крупный шаг NASA в области исследования Марса с воздуха. В отличие от Ingenuity, который был исключительно технологическим демонстратором без научных приборов, вертолеты поколения SkyFall разрабатываются для переноски реальной полезной нагрузки: датчиков, научных инструментов и более крупных батарей для продолжительных полетов. Цель состоит в том, чтобы поддерживать как роботизированные, так и будущие пилотируемые миссии, используя уникальные преимущества низковысотной воздушной разведки.
Команда разработчиков SkyFall уже учла результаты мартовских испытаний в своих технических характеристиках. Запуск трех марсианских вертолетов нового поколения в настоящее время запланирован на декабрь 2028 года.
По словам Шанны Уитроу-Мейзер, аэродинамика из Исследовательского центра Эймса NASA, команда ожидала, что им повезет достичь 1,05 Маха, но в последних запусках удалось выйти на 1,08 Маха. Специалисты продолжают анализировать данные, и возможно, удастся найти еще больший потенциал тяги. Ожидается, что эти вертолеты нового поколения будут по-настоящему впечатляющими.
