Jak będzie latać marsjański helikopter NASA?

Wysłać na Czerwoną planetę łazik — to dobrze. Wysłać razem z nim helikopter — jeszcze lepiej. Właśnie taki plan ma NASA na rok 2020: razem z wężami. Pomysł w tym, aby rover tarzał się po czerwonej pustyni, a przed nim latał mały helikopter. Śmigłowiec będzie samodzielny i pracować przez kilka minut dziennie. Główną zaletą jest to, że będzie on w stanie badać teren przed wężami i robić zdjęcia, być może, fajne selfie z wronami. Żarty, żartami, ale zaletą tego obiektywu przed resztą będzie niezrozumiałe.

Pomimo oczywistych chłód taka misji, martian śmigłowiec musi również rozwiązać kilka pytań związanych z fizyką. Właściwie to Mars — to inna planeta. Spójrzmy prawdzie w oczy.

Dlaczego nie ma śruby na ogonie?

Marsjański helikopter — to nie jest zwykły helikopter. Helikoptery z jedną śrubą (z rodzaju tych, co widzimy na Ziemi) potrzebny tylne śmigło, kompensujący zmiany momentu pędu (i momentu tarcia powietrza). Bez ogonowej śruby helikopter закрутило, i rozbił się — no lub pasażerów wymiotować, to jak w pacierzu. Helikopter z соосным nośne śrubą ma dwie противовращательные łopatki. A ponieważ dwie śruby obracają się w przeciwnych kierunkach, całkowity moment pędu jest równy zero, i nie jest potrzebny żaden dodatkowy tylne śmigło.

Aby Pozbyć się ogonowej śruby przydatne jeszcze i ze względu na oszczędność miejsca. Można zrobić mały helikopter z jednej linii przewoźnikami śrubami. Mniej — lepiej, szczególnie w warunkach ucisku na pokładzie łazika marsjańskiego. Umieścić na rover ogromny helikopter byłoby równoznaczne z próby jeździć walizka na zapakowany wózka po nierównym terenie. Ponadto, nie należy zapominać, że marsjański śmigłowiec nie będzie wracać do марсоходу, ale z niego zacznie.

czy helikopter latać na Marsie?

Co do lotu śmigłowca, między Ziemią i Marsem istnieją duże różnice. Po pierwsze, gęstość atmosfery na Marsie jest znacznie niższa niż na Ziemi (około 1% atmosferycznej gęstości). Po drugie, pole grawitacyjne również mniej na Marsie (38% grawitacji na powierzchni Ziemi). Niska gęstość atmosfery utrudnia lot śmigłowca, ale obniżona grawitacja ułatwia.

Pytanie należy postawić inaczej: dlaczego helikoptery latają? W najprostszej poprzecznego modelu helikoptera śruby podnoszą powietrze nad helikopterem i zrzuca go w dół. Ponieważ impuls "zrzutowej" powietrza wzrośnie, potrzebna jest siła i to pływalność. Można również przedstawić tę masę powietrza w kształcie cylindra z takim samym promieniu, jak i przy placu śmigieł helikoptera.

Tutaj: thrust — drążek, rotor area — powierzchnia obrotowa śruby, velocity — prędkość ruchu powietrza

Impuls zrzutowej "powietrza" (nazwijmy go powietrzem i na Marsie i na Ziemi) zależy od prędkości, z jaką porusza się w dół, i jego masy. Jaka jest masa powietrza? Ponieważ siła poprzecznego zależy od szybkości zmiany pędu, wysokość cylindra powietrza nam nie muszą o tym wiedzieć. Ale szybkość zmian masy powietrza zależy od wielkości śrub i gęstości powietrza. Na tej podstawie można przedstawić rażące przybliżenie siły trakcji helikoptera:

A — powierzchnia obrotowa śruby, v — prędkość powietrza, który porusza się w dół. Gęstość powietrza jest przedstawiona grecką literą ρ. A gdzie grawitacja? Cóż, jeśli śmigłowiec będzie się unosić, siła pociągowa powinna być równa ciężarowi. Można obliczyć ciężar jako iloczyn masy (m) i pola grawitacyjnego (g).

Obliczenia: Wired

Ponieważ gęstość powietrza na Marsie wynosi 0,01 od gęstości powietrza na Ziemi, ale pole grawitacyjne wynosi 0,38 od ziemskiego, obniżona grawitacja nie odpowiada utraty gęstości powietrza. Na Marsie wznieść się trudniejsze, niż na Ziemi. I jeszcze jedno: w żadnym wypadku nie należy korzystać z tej brutalnej model siły trakcji helikoptera do stworzenia swojego własnego helikoptera.

A teraz policz sam: znając masę i rozmiar martian helikoptera, jaka powinna być prędkość przyspieszania powietrza śrubami, aby ta rzecz jak?

NASA twierdzi, że marsjański helikopter może latać około dwóch-trzech minut dziennie. W pozostałym czasie będzie korzystać panel słoneczny na górze do ładowania akumulatora. Tak więc, jak duży akumulator jest potrzebny ten helikopter? Istnieją dwa sposoby, aby ocenić rozmiar baterii (pytaj u NASA — nudne).

Pierwsza metoda pochodzi od czasu do czasu ładowania. Śmigłowiec będzie się ładować cały dzień. Na Marsie codziennie prawie dokładnie pokrywa się z ziemskim dzień (ale na 37 minut dłużej). Całkowita długość dnia nie ma znaczenia — liczy się tylko natężenie światła, a światło słońca. Jak i na Ziemi, długość dziennego oświetlenia zmienia się z biegiem lat. Weźmy dla przykładu 10-godzinny dzień świetlny.

Następną rzeczą, którą musisz określić, — to облученность. To powierzchniowa gęstość mocy promieniowania padającego na powierzchnię. Na Ziemi to maksymalnie 1000 Watów na metr kwadratowy. Na Marsie — 2590 Watów na metr kwadratowy, Ale to maksimum, należy pamiętać. W ciągu dnia słońce zmienia swoje położenie. Jeśli panel słoneczny będzie statyczny, średnia облученность będzie mniej. Weźmy 295 W/mkw. Rozmiar naszego panelu słonecznego w przybliżeniu oszacować o promieniu 7 cm Z takim rozmiarze, облученностью, długości dnia i SPRAWNOŚCI 25% otrzymamy około 40 000 dżuli energii. Jest blisko do energii, którą trzyma bateria iPhone X.

Teraz do drugiego sposobu. Ile energii trzeba марсианскому helikoptera, aby utrzymać się w powietrzu trzyminuty? Jak obliczyć lotniczej moc? Wyobraźmy sobie tak: moc — jest to prędkość, z jaką używasz energię. Że helikopter robi ze swoją energią? Bierze powietrze nad sobą i napędza go (zwiększa jego energię kinetyczną). Do obliczania ruchu mocy weźmiemy rozmiar śruby (14 cm średnicy) i masy śmigłowca (1 kg). To pozwoli nam obliczyć głód powietrza, niezbędnej do wapowania. Z tej prędkości możemy obliczyć szybkość zmiany energii kinetycznej — moc. Otrzymamy lotniczej moc 374 W.

Ale czekaj: NASA już przedstawiał wymagania dla mocy helikoptera — 220w. Jeśli odepchnąć się od nich, można obliczyć energię potrzebną do pracy w ciągu trzech minut, bo moc — to energia/czas. Zużycie energii w takim przypadku wynosi 3,96 x 10⁴ dżuli. Pozostało zobacz na tę sztukę w akcji.