Вертолеты на Марсе сталкиваются с экстремальными атмосферными проблемами, показало исследование

НАСА планирует отправить первые вертолеты на поверхность Марса до конца 2028 года, но разреженная атмосфера Красной планеты накладывает серьезные физические ограничения на работу самолетов. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, раскрывает проблемы, с которыми вертолеты столкнутся в условиях резко сниженной плотности атмосферы.

В рамках миссии «Скайфолл» на борту космического реактора «Свобода» будут размещены три небольших вертолета для исследования возможных мест высадки людей на поверхности Марса. Этот проект представляет собой важную веху в исследовании планет, но жизнеспособность этих машин зависит от понимания того, как двигательная установка работает в атмосферных условиях, сильно отличающихся от земных.

Как работает двигатель вертолета

Вертолеты фундаментально зависят от среды перемещения. Вращающиеся лопасти толкают воздух вокруг себя в противоположном направлении, создавая подъемную силу и толчок. Типичная скорость, приобретаемая воздухом вокруг лопастей, достигает сотен метров в секунду.

Сохранение линейного импульса устанавливает критический предел: чтобы вертолет мог двигаться вперед со скоростью 100 метров в секунду, он должен толкать массу воздуха, сравнимую с его собственной массой. Поскольку плотность воздуха на уровне моря в сотни раз ниже средней плотности вертолета, самолету необходимо перерабатывать объем воздуха как минимум в сто раз больший, чем объем его собственного тела.

Этот принцип определяет, может ли самолет летать или нет в любой атмосфере. Более плотная атмосфера облегчает движение, поскольку обеспечивает большую массу лопастей, обрабатываемую при каждом обороте. Разреженная атмосфера требует увеличения объемов газа для создания эквивалентной тяги.

Особые проблемы Марса

Марсианская атмосфера, состоящая на 95% из углекислого газа, имеет массовую плотность, соответствующую всего 1,6% земной атмосферы на уровне моря. Вертолету на Марсе необходимо переработать объем окружающего газа примерно в 60 раз больший, чем на Земле, чтобы получить сопоставимую тягу.

Если бы птицы эволюционировали, вдыхая CO2 в марсианской атмосфере, им потребовались бы крылья примерно в 8 раз больше, чем у их земных собратьев, чтобы летать с той же скоростью. Более низкая гравитация Марсины, соответствующая 38% силы тяжести Земли, обеспечит некоторое аэродинамическое преимущество, облегчая подъемную силу.

Несмотря на эти препятствия, НАСА разработало технологию, специфичную для марсианских операций. Вертолет Ingenuity, испытанный на Марсе в период с 2021 по 2024 год, доказал, что полет возможен даже в таких неблагоприятных атмосферных условиях. Будущие вертолеты Skyfall будут включать усовершенствования, основанные на этих испытаниях.

Еще более экстремальные атмосферы за пределами Марса

Пояс Койпера является домом для объектов с радикально более тонкой атмосферой. Обнаруженный объект 2002 XV93 диаметром около 500 километров имеет атмосферу в 10 миллионов раз менее плотную, чем атмосфера Земли. Эта хрупкая атмосфера, вероятно, возникла в результате извержений вулканов или столкновений с кометами.

Leia Tambem

Романтические комедии и детективы появятся на Netflix в июне вместе с Office Passion и Oasis.

Уругвай объявил состав команды на ЧМ-2026, в которую вошли шесть бразильских футболистов

Когда начнется чемпионат мира по футболу 2026 года? Дата, время, первая игра и церемония открытия

В такой разреженной атмосфере вертолет столкнулся бы с практической невозможностью обработки достаточной массы воздуха для движения. Количество газа будет недостаточным, что сделает любую попытку полета с использованием обычных технологий непрактичной.

По мере уменьшения плотности атмосферы размер лопастей должен будет пропорционально увеличиваться. В критический момент конструкции станут физически невозможными для строительства и обслуживания во время эксплуатации.

Межзвездная граница

Межзвездное пространство представляет собой поистине враждебную среду для вертолетов. Средняя плотность межзвездного газа в 10^21 раз ниже плотности земной атмосферы. Вертолету придется пересечь весь диск Млечного Пути, прежде чем он найдет достаточно массы газа, чтобы разогнать свое тело со скоростью 100 метров в секунду.

Такое путешествие заняло бы время больше, чем нынешний возраст Вселенной. Межгалактические вертолеты еще более непрактичны, поскольку плотность межгалактической среды в миллион раз ниже межзвездной. В среднем Вселенная содержит один протон на кубический метр.

Ракеты как жизнеспособная альтернатива

В то время как вертолеты в качестве движущей силы полагаются на окружающую среду, ракеты работают по-другому. Они выбрасывают сгоревшее топливо через выхлопные трубы и не зависят от атмосферы. Такое разреженное межзвездное пространство дает преимущество в том, что ни одна ракета не будет существенно замедляться из-за трения о среду.

Межзвездные ракеты могут достичь любого пункта назначения в космосе без соответствующего сопротивления атмосферы. Мембраны толщиной в миллиметр, подобно солнечным парусам, могут пересечь весь Млечный Путь, не встречая существенного сопротивления во время путешествия.

Таким образом, марсианские вертолеты НАСА представляют собой особый случай: они эффективно работают на Марсе, поскольку на этой планете сохраняется достаточно атмосферы. За исключением Марса, большинство космических сред делают невозможным движение с вращением лопастей. Технологический выбор для исследования дальнего космоса по-прежнему твердо связан с ракетами и парусами, а не с вертолетами.