Марсианский винт
Станет ли полет вертолета Ingenuity началом новой эры в авиации
Скоро 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
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 писка 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.
Вариант 2. Пыль сепарируется от газа под действием ударов лопастей (скорость которых делает их сходными с лопатками компрессоров в авиадвигателях). Проявятся центробежные эффекты циклона. Тогда обтекание будет другим. Пыль и в этом случае может добавить подъемной силы — частично за счет отброса вниз от удара лопастью, как реактивная составляющая. Этот вариант менее вероятен, однако его стоит оценить. А еще лучше измерить на месте.
Атмосфера Марса. Съемка аппарата «Викинг», 1976 год
NASA / JPL-Caltech
Поэтому крайне любопытно, какая телеметрия будет доступна по итогам полетов: по процессам на борту и параметрам работы винта, по фактической динамике полета. Что будет измеряться в полетах и передаваться на Землю?
Например, можно оценивать взаимодействие лопастей с атмосферой по изменению фактических оборотов винта при расчетном токе в двигателе. Или росту расхода энергии при заданных оборотах. Анализ этих данных помог бы исследовать динамику реальной марсианской атмосферы в отношении винта.
Конечно, испытания на местности покажут и температурные особенности полетов. Интересно, как будет меняться плотность марсианского воздуха в зависимости от погоды и времени суток. Иногда рано утром на поверхности Марса наблюдается разность температуры в 20 градусов на первом вертикальным метре. Стартуя в одном воздухе, через метр подъема Ingenuity окажется в другом воздухе. Это придется учитывать в технологии взлета.
Кроме того, иногда пыль на Марсе поднимается с завихрениями во время утреннего прогрева воздуха. Будет ли возникать запыление солнечных батарей Ingenuity от потока с винта при взлете и посадке? Многие вопросы, сейчас чисто умозрительные, не получат ответа, а обрастут новыми нюансами после летных испытаний на настоящем Марсе.
Земные примеры
На Земле дозвуковое обтекание в разреженном воздухе первой реализовала высотная реактивная авиация — это сделал разведывательный U-2 Lockheed с рабочим потолком 21,34 километра. На этом самолете пилот Джерри Хойт (Jerry Hoyt) достиг рекордной высоты в 22 475 метра. Советский высотный перехватчик дрейфующих аэростатов М-17 Мясищев, самолет начала 1980-х, и его более поздняя модификация М55 «Геофизика» поднимались на 21,55 километра.
Cтратосферный планер Airbus Perlan II
flickr
Очень интересен стратосферный планер Airbus Perlan II. Он построен для наблюдений за северным полярным вихрем и самых редких на Земле стратосферных перламутровых облаков, образуемых гравитационными волнами (важно: из гидродинамики, а не астрофизики!) при обтекании ветром горных массивов в полярной зоне. 9 сентября 2018 этот аппарат установил рекорд высоты для планера, поднявшись на 23,2 километра и стал самым высотным в мире пилотируемым дозвуковым летательным аппаратом. Его потенциал еще выше, потому что конструкторы определили его практический потолок в 27 километров.
Еще выше на дозвуке поднимались непилотируемые аппараты. Один из них, Helios, разработанный для NASA компанией AeroVironment, особенно интересен. Это летающее крыло, покрытое солнечными электрическими элементами, поднималось в воздух благодаря 14 винтам с электродвигателями на передней кромке крыла. 13 августа 2001 года его модификация, Helios HP01, взлетел на высоту 29 524 метров — этот рекорд высоты горизонтального полета для крылатых аппаратов без реактивного двигателя держится по сей день. Нам этот рекорд интересен тем, что Helios HP01 достиг «марсианской» атмосферы. Точнее, смог лететь при плотности воздуха, соответствующей атмосфере Марса.
Экспериментальный аппарат NASA Helios HP01
NASA
Неизвестно, освоит ли дозвуковая техника более высокие эшелоны. На высоте 50 километров в дозвуковом режиме провалятся даже самые легкие углеродные конструкции. Дозвуковая аэродинамика навсегда покидает здесь арену аэронавтики. Держать аппарат на таких высотах и выше, в ионосфере, смогут лишь другие концепции полета.
Земные вертолеты никогда не достигали разреженных высот стратосферы.
Хотя у этого тезиса есть одно возможное исключение: мировой рекорд высоты для вертолетов.
Его установил французский пилот Жан Буле (Jean Boulet) 21 июня 1972 года. Вертолет SA.315B Lama французской фирмы Aérospatiale был разработан по заказу военно-воздушных сил Индии как вертолет общего назначения для работы в высокогорной зоне Гималаев. С вертолета сняли для облегчения конструкции все, что смогли, вплоть до второго кресла, аккумулятора и стартера, отсоединив их сразу после запуска двигателя. Заменили топливный бак на уменьшенный, добавили кислородное оборудование для пилота.
Жан Буле. На заднем плане вертолет Aerospatiale SA 315B Lama
Буле набирал высоту с большой скоростью, порядка километра в минуту, и смог выбраться на высоту 12 442 метров, где разреженность атмосферы привела к помпажу двигателя и его остановке. Не имея возможности запуска двигателя без снятого стартера и аккумулятора, Буле сумел спуститься вниз на авторотационных оборотах несущего винта и благополучно приземлиться, установив сразу и рекорд самого долгого снижения на авторотации (так называется снижение без двигателя с раскруткой несущего винта набегающим снизу потоком). Оба рекорда остаются действующими и сегодня. Вполне вероятно, что этот полет стал стратосферным полетом вертолета, смотря по тому, на какой высоте располагалась тогда тропопауза, и на какой высоте начиналась стратосфера.
Как опереться на разреженный воздух
Но вернемся на Марс. Такие атмосферные условия есть на всех планетах с более плотной атмосферой — на Венере и Земле — просто на больших высотах. И освоение сверхвысотного диапазона могло бы оказаться весьма полезным.
Среда, о которой мы говорим, настолько разрежена, что обычное обтекание не порождает достаточных аэродинамических сил, чтобы держать вес аппарата. Эту проблему решает сверхзвуковое движение. Сверхзвуковой самолет, летящий на большой высоте в разреженной стратосфере Земли, где плотность воздуха в двадцать раз ниже, чем над поверхностью, за счет скорости уплотняет обтекающий его воздух. Это и дает самолету достаточную подъемную силу.
Плотным воздух становится непосредственно на обтекаемых поверхностях, охватывая их многократно сжатым тонким движущимся слоем. Это происходит благодаря ударному газодинамическому сжатию, создаваемому сверхзвуковыми скачками уплотнения. Они возникают в набегающем сверхзвуковом потоке на передних частях и кромках летящей конструкции. Уплотненный воздух протекает по поверхности аппарата сжатым — он не успевает расшириться из-за быстроты происходящего. Остается подставить потоку под небольшим углом низ корпуса или нижнюю поверхность крыла, получив на них сжатый поток. И собрать этой поверхностью давление, объединенное в подъемную силу. Так может создавать сверхзвуковую подъемную силу и лопасть вертолета.
Николай Цыгикало
Разреженная атмосфера Марса подходит для сверхзвукового винта. С выходом лопастей на сверхзвуковое движение возникнет добавочное газодинамическое сопротивление. Можно оценить высоту на Марсе, на которой сила сопротивления при скорости краев лопастей М=1,5 равна рабочему сопротивлению вращения винта на поверхности Марса — это где-то 20-30 километров над поверхностью. На этой высоте Марс можно было бы снимать, картографировать, вести поисковые операции с разрешением намного большим, чем с орбитальных 250 километров. Здесь подъемную силу создать можно уже только за счет сверхзвукового уплотнения.
Сверхзвуковой несущий винт
Каков в общих чертах может быть сверхзвуковой несущий винт? Сверхзвук на лопасти всегда будет начинаться на некотором расстоянии от оси винта, и занимать наружную часть, двигающуюся с большими скоростями, центральная часть винта будет оставаться дозвуковой. Какую часть лопасти займет сверхзвуковое обтекание? Можно как-нибудь назвать этот показатель — например, сверхзвуковым процентом винта. Он покажет, насколько или в какой степени винт становится сверхзвуковым при данных оборотах и размерах.
Сверхзвуковой винт использовали на экспериментальном винтовом истребителе XF-84H Thunderscreech компании «Republic Aviation Corporation» в 50-х годах прошлого века. Он выполнил одиннадцать полетов, создавая тягу сверхзвуковым винтом на носу. Скорость концов его лопастей достигала 400 метров в секунду: у земли это М = 1,18, а на максимальной высоте это значение достигало М = 1,36. Со сверхзвуковой скоростью двигались наружные 60-70 сантиметров лопастей винта. То есть половина лопасти была сверхзвуковой.
Из-за вращающейся системы скачков уплотнения на лопастях шум сверхзвукового винта был беспрецедентно сильным.
Во время наземных пробежек работу двигателя было слышно за 25 миль (46 километров). Самолет явно оправдывал свое громкое название «Грозовой крик». Персонал, находящийся недалеко от самолета с работающим двигателем, несмотря на защитные наушники, испытывал из-за шума сильную тошноту и головные боли — а у одного из обслуживающих инженеров даже случился припадок. Командир «Дугласа» C-47, который оказался рядом с XF-84H во время испытательных пробежек, через полчаса потерял дееспособность. Пилот самого XF-84H Хэнк Байрд (Hank Beaird) с большим трудом выдерживал пребывание в кабине из-за акустической нагрузки. Грохот сверхзвукового винта до такой степени нарушал работу диспетчерской вышки авиабазы Эдвардс, что персонал вышки вынужден был общаться с пилотом XF-84H с помощью световых сигналов.
Republic XF-84H Thunderscreech, Национальный музей ВВС США. Сверхзвуковой винт XF-84H диаметром 3,66 метра с широкими стальными лопастями, похожими на лопатки вентилятора в турбовентиляторном реактивном двигателе. Более чем на полметра его концы лопастей были сверхзвуковыми
В марсианской атмосфере сверхзвуковой винт вряд ли будет создавать такое оглушающее действие, зато проявит свои преимущества. При этом он легко технологически достижим сегодня. Вопрос только о том, возможно ли сделать его достаточно большим и прочным.
Применение сверхзвуковых несущих винтов очень пригодилось бы на Земле.
Они могут работать в верхней стратосфере на высотах 50-55 километров, а возможно, выше, в нижней ионосфере. С решением задачи электрического питания двигателя винта получатся хорошие псевдоспутники ретрансляционного или следящего назначения — аппараты, длительно пребывающие на больших атмосферных высотах, и выполняющие задачи низкоорбитальных спутников. При этом у псевдоспутников есть преимущества — они не заходят за горизонт, не требуют глобальной всепланетной спутниковой системы, и могут быть сосредоточены в нужном районе Земли, не делая бесполезных баллистических облетов остального земного шара. Такие средства смогут осваивать новый высотный эшелон — не 20+ километров, как у высотных самолетов и планеров, не 30+, как у стратостатов, а 50-60 километров.
Из основных проблем сверхзвукового винта, требующих решения, можно отметить две. Первая — это прочность лопастей. Главная нагрузка будет на разрыв, в силу огромного центробежного ускорения на лопастях, особенно на концах. И вторая — устойчивость длинной лопасти в перпендикулярном сверхзвуковом потоке. Как распределятся нагрузки на сверхзвуковой лопасти? Отчего может разрушиться такая лопасть? От превышения прочности на разрыв, потери устойчивости, или из-за других причин?
Кроме того, обычный у вертолетов механизм качания лопасти не сможет работать с такой частотой. Но возможно, он не понадобится. В течение одного оборота лопасть вертолетного винта изменяет свой угол атаки. Когда она движется в направлении полета вертолета, против набегающего потока, обгоняя кабину, скорость обдува возрастает, и лопасть уменьшает свой угол атаки. Оказавшись на другой стороне вертолета, лопасть движется назад в сторону хвоста попутно потоку, и скорость ее обтекания потоком уменьшается. Поэтому здесь принудительно увеличивается угол атаки лопасти.
Эти циклические изменения угла атаки лопасти выполняет механизм качания. Так достигается равенство подъемной силы лопастей справа и слева от летящего вперед вертолета, избавляя его от опрокидывания. Но при небольшой продольной скорости аппарата и огромной сверхзвуковой скорости обтекания разница обтекания будет незначительной. Это позволит отказаться от изменения угла атаки лопасти за один оборот и от механизма качания лопастей.
Но пока сверхзвуковой винт для глубоко разреженных атмосфер остается делом будущего. Сегодняшний день — это Ingenuity, готовящийся к своим первым полетам на Марсе. Пожелаем ему успешного взлета и мягкой посадки, и выполнения всей запланированной программы полетов.
Николай Цыгикало