Новые вертолёты NASA для Марса преодолели звуковой барьер на испытаниях

Инженеры NASA успешно испытали роторы для нового поколения марсианских вертолётов, разогнав их до сверхзвуковой скорости в условиях, имитирующих атмосферу Марса. В ходе тестов кончики лопастей достигли скорости 1,08 числа Маха, что стало важным этапом в разработке перспективных аппаратов проекта SkyFall, которые должны значительно превзойти возможности знаменитого вертолёта Ingenuity.

Как отмечают специалисты, приближение лопастей вертолёта к скорости звука связано с серьёзными аэродинамическими трудностями. Уже при скорости около 0,8 числа Маха начинают возникать ударные волны, усиливается сопротивление воздуха, появляются нестабильные потоки и турбулентность, создающие дополнительные нагрузки на конструкцию. На Земле подобные проблемы решаются за счёт сложных испытаний и инженерных решений, однако для Марса задача оказывается намного труднее из-за совершенно иных атмосферных условий.

Вертолёт Ingenuity, доставленный на Марс вместе с марсоходом Perseverance в январе 2021 года, работал исключительно в дозвуковом режиме. Скорость кончиков его лопастей не превышала примерно 0,7 числа Маха. Такой подход был выбран намеренно, чтобы избежать неожиданных аэродинамических эффектов во время первых в истории человечества управляемых полётов аппарата на другой планете.

Новый марсианский вертолёт, создаваемый в рамках программы SkyFall, должен работать в гораздо более сложных режимах. Инженеры NASA провели испытания в специальной камере, где давление воздуха снижалось до уровня, соответствующего атмосфере Марса. В этих условиях исследователи сумели разогнать роторы до скорости 1,08 числа Маха, значительно расширив потенциальные возможности будущего аппарата.

Аэродинамик NASA Шанна Уитроу-Мейзер из Исследовательского центра Эймса заявила, что успешные испытания стали важным подтверждением возможности полётов в более экстремальных условиях. По её словам, специалисты рассчитывали достичь примерно 1,05 числа Маха, однако итоговые результаты оказались выше ожидаемых. Сейчас команда продолжает анализировать полученные данные и предполагает, что конструкция может обеспечить ещё большую тягу.

Несмотря на определённое сходство Земли и Марса, атмосферы двух планет кардинально отличаются. Атмосфера Марса чрезвычайно разрежена и имеет плотность всего около 1–2 процентов от земной. Именно поэтому полёты на Красной планете требуют совершенно иных инженерных подходов. Основной задачей Ingenuity было не только доказать возможность винтового полёта в таких условиях, но и собрать данные, которые помогут при создании новых летательных аппаратов.

Первоначально Ingenuity должен был выполнить лишь пять полётов, однако в итоге совершил 72 вылета до аварии в 2024 году. Причиной крушения стала не неисправность лётной системы, а ошибка при определении расстояния до поверхности во время посадки.

Инженер Лаборатории реактивного движения NASA Яакко Каррас отметил, что при проектировании полётов Ingenuity специалисты сознательно ограничивали скорость вращения роторов, чтобы даже при встречном марсианском ветре кончики лопастей не переходили в сверхзвуковой режим. Однако для аппаратов нового поколения NASA требуются более высокие характеристики, поэтому инженерам было необходимо убедиться, что роторы способны безопасно работать на значительно больших скоростях.

Из-за низкой плотности атмосферы Марса скорость звука на планете ниже земной и составляет около 869 километров в час против примерно 1225 километров в час на уровне моря на Земле. Это позволяет достигать первого числа Маха при меньшей абсолютной скорости вращения лопастей.

Во время испытаний специалисты протестировали две конструкции роторов — трёхлопастную и двухлопастную. Трёхлопастной вариант развивал до 3750 оборотов в минуту, при которых кончики лопастей достигали скорости 0,98 числа Маха. Двухлопастная система с более длинными лопастями обеспечивала такую же скорость уже при 3570 оборотах в минуту. Для сравнения, роторы Ingenuity никогда не превышали 2700 оборотов в минуту.

После этого в испытательной камере включили мощный вентилятор, создающий встречный поток воздуха. Именно в этих условиях скорость кончиков лопастей удалось довести до 1,08 числа Маха.

По данным NASA, переход к таким скоростям позволяет увеличить подъёмную силу примерно на 30 процентов. Благодаря этому новые марсианские вертолёты смогут нести более тяжёлое научное оборудование по сравнению с Ingenuity.

Если проект будет развиваться по плану, миссия SkyFall стартует в конце 2028 года. NASA намерено отправить к Марсу сразу три вертолёта нового поколения. Предполагается, что они будут заниматься разведкой мест будущей высадки людей и поиском залежей водяного льда под поверхностью планеты.