Сверхзвуковые винты для Марса: NASA тестирует вертолёты нового поколения

NASA испытывает пределы возможностей будущих марсианских летательных аппаратов, работая над созданием флота вертолётов следующего поколения, которые будут летать в разреженной атмосфере Красной планеты.

В марте инженеры из Лаборатории реактивного движения (JPL) NASA в Южной Калифорнии завершили испытания конструкций роторов, которые могут быть использованы для управления этими дронами. Экспериментальные лопасти вертолёта раскручивались до такой скорости, что их кончики превысили число Маха 1 (скорость звука).

Всего было проведено 137 испытаний внутри современной камеры, способной имитировать атмосферу Марса: воздух в ней заменён низкоплотным диоксидом углерода. Эта работа предоставила NASA ценные данные, которые, по словам инженеров, могут увеличить подъёмную способность аппарата на 30%, позволяя будущим марсианским вертолётам нести более тяжёлое научное оборудование и более ёмкие аккумуляторы на большие расстояния.

Первый в истории аэродинамический полёт на Марсе был совершён 19 апреля 2021 года вертолётом NASA Ingenuity («Изобретательность») — прототипом, созданным для проверки эффективности вертолёта в столь разреженной атмосфере. Этот маленький винтокрылый аппарат значительно превзошёл ожидания руководителей миссии, совершив в общей сложности 72 полёта за почти три года.

Ingenuity не был создан как полноценный научный аппарат, но следующие марсианские вертолёты NASA проектируются именно для этой цели. «У NASA был отличный опыт с марсианским вертолётом Ingenuity, — заявил Эл Чен, менеджер программы Mars Exploration в JPL, в заявлении от 7 мая. — Но мы просим эти аппараты следующего поколения делать на Красной планете ещё больше».

Команды JPL установили трёхлопастной ротор внутри модифицированной камеры, которая также обдувала лопасти ветром для имитации условий полёта. Они вращали ротор с постоянно возрастающей скоростью, пока его кончики в итоге не достигли Маха 1,08 — без признаков повреждений.

Инженеры также испытали более длинный двухлопастной ротор для SkyFall — концепции миссии, которая должна отправить три марсианских вертолёта нового поколения на Красную планету в декабре 2028 года. Увеличенная длина двухлопастной версии позволила ротору достичь тех же околозвуковых скоростей при меньшем количестве оборотов в минуту. Данные этих испытаний интегрируются в технические требования команды миссии SkyFall.

«Успешные испытания этих роторов стали важным шагом к подтверждению возможности полётов в более сложных условиях, что является ключевым для аппаратов следующего поколения», — заявила в том же пресс-релизе Шанна Вайтроу-Мейзер, аэродинамик из Исследовательского центра Эймса NASA в Кремниевой долине.

Успешные испытания открывают путь к новому классу марсианских исследовательских аппаратов, способных нести инструменты по таким ландшафтам, куда марсоходам добраться сложно, а орбитальным аппаратам — слишком далеко для детального изучения. Представьте себе рои небольших вертолётов, которые автономно исследуют труднодоступные каньоны, пещеры и кратеры Марса, собирая образцы и передавая данные на Землю.

Но на этом NASA не останавливается. Следующим этапом станут испытания ещё более сложных систем. Инженеры планируют научить будущие марсианские дроны работать в связке — например, один вертолёт-разведчик прокладывает маршрут, а второй следует за ним с тяжёлой научной аппаратурой. Также в разработке находятся адаптивные системы ротации: лопасти, способные менять угол атаки в реальном времени в зависимости от плотности атмосферы, которая на Марсе может резко меняться в зависимости от сезона, времени суток и высоты.

Кроме того, специалисты JPL экспериментируют с новыми материалами. Традиционные углепластики показали себя хорошо, но для сверхзвуковых скоростей требуются ещё более лёгкие и прочные композиты, способные выдерживать огромные центробежные нагрузки и резкие перепады температур (от плюс 20 до минус 120 градусов по Цельсию). Одно из перспективных направлений — использование алмазоподобных покрытий для защиты кромок лопастей от абразивного воздействия марсианской пыли.

Если миссия SkyFall получит одобрение и финансирование, запуск трёх вертолётов нового поколения может состояться уже в конце 2028 года. Их прибытие на Марс ожидается примерно через полгода. Эти аппараты, каждый размером чуть больше Ingenuity, но с гиперэффективными сверхзвуковыми роторами, смогут за один полёт преодолевать до нескольких километров — по сравнению с 700 метрами у Ingenuity за весь срок его службы.

Таким образом, человечество делает ещё один уверенный шаг к тому, чтобы сделать атмосферные полёты на другой планете таким же рутинным делом, как управление дроном здесь, на Земле. И, возможно, совсем скоро мы увидим первые цветные панорамы марсианских каньонов, снятые с высоты птичьего полёта — или, точнее, с высоты полёта вертолёта.