Главная » Hi-Tech » Как будет летать марсианский вертолет NASA?

Как будет летать марсианский вертолет NASA?

Отправить вместе с ним вертолет — еще лучше. Отправить на Красную планету марсоход — это хорошо. Идея в том, чтобы ровер катался по красной пустыне, а перед ним летал маленький вертолет. Именно такой план есть у NASA на 2020 год: отправить «вертушку» вместе с марсоходом. Главное преимущество состоит в том, что он сможет разведывать местность перед марсоходом и делать снимки, возможно, классные селфи с марсианами. Вертолет будет автономным и работать по несколько минут в день. Шутки шутками, но преимущество такого марсохода перед остальными будет непостижимым.

Вообще-то Марс — это другая планета. Несмотря на очевидную крутость такой миссии, марсианский вертолет также должен будет решить несколько вопросов, связанных с физикой. Давайте разберемся.

Почему у него не будет винта на хвосте?

Вертолетам с одним винтом (вроде тех, что мы видим на Земле) нужен хвостовой винт, компенсирующий изменение углового момента (и крутящего момента из-за трения воздуха). Марсианский вертолет — это вам не обычный вертолет. Вертолет с соосным несущим винтом имеет две противовращательные лопасти. Без хвостового винта вертолет закрутило бы, и он разбился — ну или пассажиров стошнило бы, это как пить дать. И поскольку два винта крутятся в противоположных направлениях, общий угловой момент равен нулю, и не нужен никакой дополнительный хвостовой винт.

Можно сделать небольшой вертолет с соосными несущими винтами. Избавиться от хвостового винта полезно еще и ради экономии пространства. Поставить на ровер большой вертолет было бы равносильно попытке прокатить чемодан на набитой тележке по пересеченной местности. Меньше — лучше, особенно в условиях тесноты на борту марсохода. Кроме того, не стоит забывать, что марсианский вертолет не будет возвращаться к марсоходу, но с него начнет.

Будет ли вертолет летать на Марсе?

Во-первых, плотность атмосферы на Марсе значительно ниже, чем на Земле (около 1% атмосферной плотности). Что касается полета вертолета, между Землей и Марсом существуют большие различия. Низкая атмосферная плотность усложняет полет вертолета, но пониженная гравитация упрощает его. Во-вторых, гравитационное поле также меньше на Марсе (всего 38% гравитации на поверхности Земли).

В самой простой модели тяги вертолета винты поднимают воздух над вертолетом и сбрасывают его вниз. Вопрос нужно ставить иначе: почему вертолеты летают? Также можно представить эту массу воздуха в форме цилиндра с таким же радиусом, как и у площади винтов вертолета. Поскольку импульс «сброшенного» воздуха будет увеличен, нужна сила — и это подъемная сила.

Здесь: thrust — тяга, rotor area — площадь вращения винта, velocity — скорость движения воздуха

Какова масса воздуха? Импульс сброшенного «воздуха» (давайте называть его воздухом и на Марсе, и на Земле) зависит от скорости, с которой он движется вниз, и его массы. Но скорость изменения воздушной массы зависит от размера винтов и плотности воздуха. Поскольку сила тяги зависит от скорости изменения импульса, высоту этого цилиндра воздуха нам знать не обязательно. Исходя из этого, можно представить грубое приближение силы тяги вертолета:

Плотность воздуха представлена греческой буквой ρ. A — это площадь вращения винта, v — скорость воздуха, который движется вниз. Что ж, если вертолет будет парить, сила тяги должна быть эквивалентна весу. А где гравитация? Можно рассчитать вес как произведение массы (m) и гравитационного поля (g).

Расчеты: Wired

На Марсе парить труднее, чем на Земле. Поскольку плотность воздуха на Марсе равна 0,01 от плотности воздуха на Земле, но гравитационное поле составляет 0,38 от земного, пониженная гравитация не соответствует потере плотности воздуха. И еще: ни в коем случае не пытайтесь использовать эту грубую модель силы тяги вертолета для создания своего собственного вертолета.

А теперь посчитайте сами: зная массу и размер марсианского вертолета, какой должна быть скорость разгона воздуха винтами, чтобы эта штука летала?

В остальное время он будет использовать солнечную панель в верхней части для зарядки аккумулятора. NASA утверждает, что марсианский вертолет сможет летать около двух-трех минут в день. Есть два способа оценить размер батареи (спрашивать у NASA — скучно). Итак, насколько большой аккумулятор нужен такому вертолету?

Вертолет будет заряжаться целый день. Первый способ отталкивается от времени зарядки. Общая продолжительность дня не имеет значение — важен лишь световой день и свет солнца. На Марсе каждый день почти точно совпадает с земным днем (но на 37 минут дольше). Давайте возьмем для примера 10-часовой световой день. Как и на Земле, продолжительность дневного освещения меняется с годами.

Это поверхностная плотность мощности излучения, падающего на поверхность. Следующее, что нужно определить, — это облучённость. На Марсе — 2590 Ватт на кв. На Земле это максимум 1000 Вт на квадратный метр. Но это максимум, имейте в виду. м. Если солнечная панель будет статичной, средняя облученность будет меньше. На протяжении дня солнце меняет свое положение. м. Возьмем 295 Вт/кв. С таким размером, облученностью, длиной дня и КПД в 25% мы получим порядка 40 000 джоулей энергии. Размер нашей солнечной панели приблизительно оценим с радиусом в 7 см. Это близко к энергии, которую держит батарея iPhone X.

Сколько энергии нужно марсианскому вертолету, чтобы держаться в воздухе три минуты? Теперь ко второму методу. Давайте представим так: мощность — это скорость, с которой вы используете энергию. Как рассчитать летную мощность? Он берет воздух над собой и разгоняет его (увеличивает его кинетическую энергию). Что вертолет делает со своей энергией? Это позволит нам рассчитать тягу воздуха, необходимую для парения. Для расчета летной мощности возьмем размер винта (14 см в диаметре) и массу вертолета (1 кг). Получим летную мощность 374 Вт. Из этой скорости мы можем рассчитать скорость изменения кинетической энергии — мощность.

Если оттолкнуться от них, можно рассчитать энергию, необходимую для работы в течение трех минут, потому что мощность — это энергия/время. Но погодите: NASA уже представило требования для мощности вертолета — 220 Вт. Осталось посмотреть на эту штуку в действии. Потребление энергии в таком случае составит 3,96 х 104 джоулей.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

«Яндекс» выделил видеорекламу в «Директе» в отдельный инструмент

«Яндекс» выделил видеорекламу в «Директе» в отдельный инструмент — Маркетинг на vc.ru Свежее Вакансии Написать Уведомлений пока нет Пишите хорошие статьи, комментируйте,и здесь станет не так пусто Войти Теперь рекламодатели смогут заводить для них отдельный бюджет и настраивать показы независимо ...

«Ростелеком» провёл ребрендинг и поменял логотип впервые с 2011 года

«Ростелеком» провёл ребрендинг и поменял логотип впервые с 2011 года — Дизайн на vc.ru Свежее Вакансии Написать Уведомлений пока нет Пишите хорошие статьи, комментируйте,и здесь станет не так пусто Войти Новый фирменный стиль обошёлся оператору в 35 млн рублей. В ...