Könnte ein Hubschrauber auf dem Mars fliegen?

Die Schwerkraft beträgt etwa ein Drittel der Erdanziehungskraft, und wettbewerbsfähige Helikoptermodelle haben einen wirklich übermäßigen Leistungsüberschuss. Schau dir das nur an .

Es wird keinen bemannten Helikopterflug geben. Die Helikopterleistung skaliert schlecht mit der Größe – es gibt einen Grund, warum wir keine VTOL Jumbo Jets haben. Aber das gleiche Upscaling-Problem ist unser Freund beim Downscaling. Ein 6-kg-Hubschrauber kann 30 kg Nutzlast heben , also haben wir auf der Erde ein Äquivalent von TWR = 6.

Luftwiderstand und Auftrieb sind beide identisch (quadratisch) proportional zur Fluggeschwindigkeit, sodass der gleiche Auftriebsverlust zu einem Verlust der primären Begrenzungskraft des Hubschraubers führt - dem Luftwiderstand an den Blättern. Was übrig bleibt, sind mechanische Verluste (Reibung der Lager) und mechanische Haltbarkeit der Konstruktion, aber diese können mit viel Überschuss gebaut werden – außerdem werden größere Rotorblätter den Bedarf an extremen Drehzahlen ausgleichen.

Natürlich müssen noch andere Dinge berücksichtigt werden. Diese Flüge werden eher wie "Hops" sein - ein kurzer Flugabschnitt, gefolgt von einer laaangen Aufladezeit. Und die Drohne muss klein sein – und das bedeutet nicht viel wissenschaftliche Ausrüstung. Leider bedeutet das auch, dass es nicht vollständig autonom sein wird, da es einfach nicht genug Platz gibt, um ein gutes Radio und eine gute Antenne anzubringen, um die Erde oder sogar die Satelliten zu erreichen. Aber es könnte definitiv als "Aufklärungsfahrzeug" für einen großen Rover dienen, kleine Proben holen, die Festigkeit der Bodenoberfläche zum Überfahren testen und die beste Route planen.

16.03.2021 Bearbeiten:

Ingenuity hat seinen Erstflug absolviert. . Die meisten Daten in meinem Beitrag haben die Parameter von Ingenuity korrekt vorhergesagt. 2.500 U / min bei einem Rotorradius von 60 cm ergeben eine lineare Höchstgeschwindigkeit der Rotorspitzen von 157 m / s gegenüber 267 m / s Schallgeschwindigkeit in Kohlendioxid (und 90 m / s in Aerobations-RC-Hubschraubern), sodass sie Unterschall blieben. Es ist leicht - 1,8 kg, vergleichbar mit schwereren Kunstflugmodellen. Es verwendet den Rover als Retransmitter, um die Satelliten und die Erde zu kontaktieren. Die Rotorblätter sind sowohl breiter als auch länger als bei Kunstflug-RC-Hubschraubern, um die dünne Atmosphäre auszugleichen, aber der Motor ist in Bezug auf die Leistung mit Mid-Shelf-Modellen vergleichbar. Der Helikopter ist in der Lage, 30 Sekunden zu fliegen und benötigt einen Tag, um die Batterien wieder aufzuladen.

05.09.2021 Bearbeiten:

Als die erste Phase der Technologiedemonstration der Durchführbarkeit des Motorflugs auf dem Mars abgeschlossen ist, führt Ingenuity Aufklärungsarbeiten durch und hilft Curiosity bei der Auswahl interessanter Ziele.

Es gibt nichts Schöneres, als es in einer Marsdichtekammer fliegen zu sehen, um Ihre Frage zu beantworten:

Crazy Engineering: Mars-Helikopter

Ich habe ein wirklich schönes Video davon im kontrollierten Flug in der Kammer, aber ich kann das noch nicht im Internet finden.

Update zwei Jahre später:

Danke SF für diesen Link zu einem netten Video .

Sie können die erforderliche Schwebeleistung aus dem Bodeneffekt berechnen, indem Sie die folgenden Formeln verwenden:

Gegeben$m$, die Masse des Hubschraubers, die erforderliche Auftriebskraft ist$L = g_{Mars}\cdot m$

Die erforderliche Wellenleistung beträgt:

wo$R$ist der Rotordurchmesser und FM ist die "Gütezahl". Für einen kleinen Hubschrauber ist FM kleiner als 0,66, sagen wir 0,55.

Die Dichte in geringer Höhe auf dem Mars beträgt 0,0152 kg/m ³

Die Erdbeschleunigung$g_{Mars}$beträgt 3,8 m/ ^s² .

Beispiel:

• Masse = 2 kg
• Hub = 7,6 Newton
• FM = 0,55
• Rotordurchmesser = 1 Meter
• Dichte = 0,0152 kg/ ^m3
• Pi = 3,1416

Das Ergebnis sind 264 Watt.

Die Tatsache, dass die gegenläufig rotierenden Rotoren koaxial sind, verringert die Schwebeleistung nicht wesentlich. Der effektive Durchmesser ist nahezu gleich. Beachten Sie, dass bei einer Reduzierung der Masse auf 1 kg die erforderliche Leistung nur 87 Watt betragen würde!

Zusammenfassend: Die benötigte Leistung ist proportional zu (Auftrieb zu dem$\frac{3}{2}$Leistungsexponent), umgekehrt proportional zum Rotordurchmesser und umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Dichte.

Beim Vorwärtsfliegen anstelle des Schwebens sinkt die erforderliche Leistung für einen gut geformten, stromlinienförmigen Rumpf erheblich. 1929 entwickelte Glauert eine Näherungsformel (die Lösung eines Viertels), die noch heute verwendet wird. Ein gutes Nachschlagewerk ist: BW McCormick: Aerodynamics of V/STOL Flight .

Ich habe keine Einwände gegen Marks Antwort, aber ich mache mir Sorgen, dass sich die Rotorblätter so schnell drehen, dass sie sich vollständig in einer Überschallströmung befinden. Hubschrauberblätter innerhalb einer Unterschallströmung zu halten, ist ein begrenzender Faktor für Hubschraubergeschwindigkeiten hier auf der Erde. Wie würde der Auftrieb des Rotors beeinflusst, wenn er vollständig hinter einer Stoßwelle wäre? Auf der Erde bleiben die meisten Unterschallflügel, die unter solchen Bedingungen platziert werden, einfach stehen. Da die Marsatmosphäre so kalt ist, sollte die lokale Schallgeschwindigkeit ziemlich niedrig sein, daher sollte ein Rotor für den Mars besser so ausgelegt sein, dass er in transsonischen und Überschallbereichen funktioniert. Ein gutes Beispiel für dieses Problem: Das U2-Spionageflugzeug (zugegeben kein Hubschrauber) war in seiner höchsten Höhe an der kombinierten Grenze, nicht schnell genug zu fliegen, um genügend Auftrieb (in der Atmosphäre) zu erzeugen.

Ja. Ingenuity hat diese Fähigkeit durch seine verschiedenen Testflüge bewiesen. Dies war eigentlich das primäre Ziel der Mission, wie die NASA feststellt .