Der auf dem Mars geflogene Ingenuity-Helikopter ist für einen Druck von etwa 0,01 bar und eine kältere Atmosphäre, die hauptsächlich aus CO2 besteht, ausgelegt. Siehe Links (einschließlich Video) in dieser Antwort auf Welches JPL-Labor ist das genau und welche Funktionen haben diese erstaunlich aussehenden Bedienfelder? in Space SE und darin verlinkten Quellen. Weitere Informationen zur Marsatmosphäre finden Sie in dieser Antwort auf Was könnte Perseverance beim Hören von Ingenuity offenbaren? dort auch, und Quellen darin.
Die gegenläufigen Rotoren (angetrieben von separaten Motoren, aber synchronisiert) drehen sich mit etwa 2500 U/min. Die Propeller sind nach irdischen Maßstäben riesig im Vergleich zu dem winzigen Gewicht, das sie tragen. Aber wir müssen auch bedenken, dass es auf der Erde mehr wiegen wird. Siehe Antworten auf Rotiert Ingenuity über unterschiedliche Rotordrehzahlen oder unterschiedliche Anstellwinkel? und Quellen darin, um mehr darüber zu erfahren.
Frage: Hätte der Mars-Helikopter Ingenuity hypothetisch nur zum Spaß im Freien bei JPL getestet werden können ? Nicht, dass sie so etwas jemals tun würden (es wird zu jeder Zeit sehr sauber und sehr, sehr sicher gehalten worden sein), aber aus technischer Sicht wäre es geflogen? Welche Rotordrehzahlen und Drehmomente wären nötig gewesen und wären diese mit den für den Marsflug optimierten Leichtbaumotoren möglich gewesen?
Nein, Ingenuity war zu schwer und zu schwach, um auf der Erde zu fliegen.
Von 27:30 bis 29:00 Uhr im Video einer Presseveranstaltung am 13. Mai 2021 steuert einer seiner Designer, Matt Keennon, manuell eine, wie er es nennt, „terrestrische Version von Ingenuity“, offiziell Earth Copter genannt, mit dem Spitznamen Teri oder Terry. (Reporter mussten die Schreibweise erraten. Das Transkript eines 60-minütigen Segments enthält Terry, aber das vernachlässigt I für Ingenuity.)
Um 24:45 erklärt Matt, dass seine einzigen signifikanten Hardwareunterschiede im Vergleich zu Ingenuity darin bestehen, dass es leichter ist (er sagt nicht, wie viel) und dass seine Motoren größer sind und das doppelte Drehmoment haben. Aerovironment hat keine harten Zahlen über Terry veröffentlicht, möglicherweise sogar überhaupt einen Text, da sogar sein Name umstritten ist.
Aber es ist klar, dass sie Terry entworfen haben, um genau nachzuahmen, wie Ingenuity auf dem Mars fliegen würde (siehe Abschnitt „Iterationen“ in Inside Ingenuity With AeroVironment ), also hätten sie ihn nicht leichter gemacht und aus launischen Gründen viel leistungsstärkere Motoren verwendet. Es musste tatsächlich fliegen. Ein direktes Zitat von Matt um 24:45:
Wir haben auch das Gewicht von Terry im Vergleich zu Ingenuity reduziert, weil es in der Schwerkraft der Erde fliegt.
Co-Designer Ben Pipenberg sagt auch:
Terry soll hier auf der Erde fliegen, daher wurden die Motoren neu gestaltet und sind leistungsstärker und haben ein höheres Drehmoment, um mit der dichteren Atmosphäre und der höheren Schwerkraft fertig zu werden.
... nur so zum Spaß im Freien bei JPL getestet
Vielleicht, wenn sie ihre Jobs als Ingenieure verlieren wollten, aber wenn man es versuchen würde:
Ingenuity ist ein Rotordesign mit konstanter Drehzahl und variabler Steigung. Die Schwerkraft der Erde ist 2,64-mal größer als die des Mars. Die Rotordrehzahl beträgt 2500 U/min. Der Rotordurchmesser beträgt 4 Fuß. Rotorspitzengeschwindigkeit ist:
2500 U/min × 4 Fuß × 3,14 × 60 min/h × 1 Meile/5280 Fuß = 340 mph
Warum so langsam?
Die Schallgeschwindigkeit in CO2 ist langsamer (78 %) als in Luft. In Helium reist es fast 3x schneller! Speed is sound ist auch langsamer bei kälteren Temperaturen.
Diese Faktoren beeinflussen das Marsdesign. Die Rotoren werden auf der Erde gut funktionieren, aber ...
Auf der Erde müssen sie 2,64-mal mehr Gewicht heben.
Auftrieb = Koeffizient × Fläche × Geschwindigkeit x Dichte
Wenn die Luftdichte 100-mal höher ist, wäre die Rotorblattverstellung viel schwieriger. Angenommen, Sie brennen die Motoren nicht aus , wenn Sie versuchen, 2500 U / min zu erreichen, würde der Hubschrauber wahrscheinlich durch übermäßige Steuereingaben abstürzen .
Wenn wir voranschreiten, könnten wir die Drehzahlspezifikation für den Erdflug reduzieren:
Quadratwurzel 2,64 x 2500 U/min/100 Dichtefaktor = 40 U/min!
oder verwenden Sie kleinere Rotoren, wodurch es viel kontrollierbarer wird. Es wäre auch möglich, mit einem Helium-Luftlenker-Aufsatz etwas Auftrieb hinzuzufügen. Dann kann es flugfähig sein.
Eine letzte Überlegung wäre die Wirkung der Reynolds-Zahl auf die Leistung der Rotorblätter. Hier würden die Marsatmosphäre und die höhere Schaufelgeschwindigkeit einen Vorteil bieten.
Reynolds-Zahl = Sehne × Geschwindigkeit/kinematische Viskosität
Zusammenfassend wäre ein Re-Design für die Earth Ingenuity angebracht, aber konzeptionell wäre der gegenläufige Ansatz mit variabler Steigung und konstanter Geschwindigkeit (mit oder ohne Gassack) von Interesse.
Aufgrund der höheren Schwerkraft auf der Erde ist die effektive Masse des Raumfahrzeugs auf der Erde höher als auf dem Mars. Auch der Luftwiderstand ist wegen der höheren atmosphärischen Dichte viel höher.
Beides sind Faktoren, die dazu führen, dass mehr Auftrieb und Leistung in Form größerer Rotoren und stärkerer Motoren erforderlich sind.
Glücklicherweise bedeutet die dichtere Luft auch mehr Auftrieb pro Flächeneinheit der Rotoren, was die erforderliche Rotorgröße reduziert und die Notwendigkeit größerer Rotoren etwas ausgleicht.
Ich habe weder die Mathematik noch die Daten, um die erforderlichen Berechnungen durchzuführen, aber es ist unwahrscheinlich, dass ein Fahrzeug, das so klein und leicht wie möglich sein soll, in einer Marsumgebung funktioniert und mit der verfügbaren billigsten Trägerrakete gestartet werden kann verfügbar (Kosten...) wäre für den Einsatz auf der Erde gut geeignet.
Es ist möglich, aber unwahrscheinlich.
äh
Herr R.
Frosch
äh
Frosch
Camille Goudeseune