NASA снова за своё: ковыряется в будущем полётов на Марсе — потому что, видимо, одного полёта вертолёта на другой планете было недостаточно. Исследователи разрабатывают лопасти несущего винта, которые позволят будущим марсианским вертолётам летать выше, дальше и вообще красоваться больше, чем удалой малыш Ingenuity, вошедший в историю как первый аппарат с двигателем, совершивший полёт на другой планете. Миссия SkyFall, запуск которой запланирован на 2028 год, отправит на Марс три вертолёта, развивая это наследие с лопастями, спроектированными для вредной тонкой атмосферы Красной планеты — с изогнутой кромкой, напоминающей, но отличающейся от лопастей, используемых на Земле. Потому что зачем всё упрощать?

Настоящее веселье начинается с необычного: более тонкие, более острые лопасти, которые могут расширить дальность одиночного полёта для миссий после SkyFall. Команда в Исследовательском центре Эймса NASA в калифорнийской Кремниевой долине, работая с Имперским колледжем Лондона и Университетом Нагои в Японии, тестировала новое поперечное сечение лопасти — или аэродинамический профиль — под названием roamx-0201. Используя передовые симуляции и алгоритмы, настроенные на марсианские условия, они пришли к более тонкой асимметричной форме, которая обещает значительно повысить аэродинамические характеристики. Испытания в аэродинамической трубе подтвердили, что конструкция не только улучшила производительность, но и лучше восстанавливалась в рискованных условиях полёта. Потому что ничто так не говорит о «хорошем дизайне», как выживание в аэродинамическом эквиваленте плохого дня.

Цифры впечатляют: высокоточные симуляции показали, что переработанные лопасти могут увеличить расстояние, покрываемое за один непрерывный полёт, с 0,7 километра у Ingenuity до целых 18,7 километра — при этом неся научные приборы. Это примерно 26-кратное увеличение, или примерно расстояние от штаб-квартиры NASA до приличной чашки кофе. Результаты были объявлены в статье, опубликованной 22 сентября в журнале Американского института аэронавтики и астронавтики, который, предположительно, является местом, куда аэродинамики ходят хвастаться.

Так почему же эти лопасти работают так хорошо? Отчасти потому, что они могут работать дольше на более высоких скоростях до достижения «дивергенции сопротивления» — явления, при котором производительность внезапно падает, когда роторы приближаются к скорости звука, которая на Марсе ниже, чем на Земле. Представьте себе это как аэродинамический эквивалент попадания в выбоину на скорости шоссе. Лопасти roamx-0201 также отличаются тем, как они используют турбулентность для создания подъёмной силы. Когда воздух обтекает лопасть, образуется тонкая область, называемая «пограничным слоем». Новый аэродинамический профиль намеренно нарушает этот поток на передней кромке, создавая возмущение, которое, как ни странно, тянет лопасть вверх — помогая поднять винтокрылый аппарат эффективнее, чем более ранние конструкции. Это как споткнуться нарочно, чтобы сохранить равновесие, но с большей наукой.

Ещё одна проблема — «срыв потока», когда производительность резко падает и полёт становится нестабильным после изменения угла воздушного потока. Лопасти Ingenuity испытывали резкое ухудшение характеристик при срыве, но в изученных условиях конструкция roamx-0201 показала значительно улучшенное поведение при срыве. Это означает, что будущие вертолёты смогут безопасно работать в более широком диапазоне углов полёта — всегда плюс, когда вы летаете в атмосфере, которая на 1% плотнее земной, и помощи на дороге нет.

Хотя технология ещё не готова для Марса, испытания помогают инженерам понять и устранить расхождения между вычислительными прогнозами и реальными характеристиками — разрыв, который смирял многих симуляторов. Текущие исследования в NASA направлены на создание более эффективных марсианских вертолётов, которые смогут летать дальше, нести больше полезной нагрузки и открывать новые научные и исследовательские миссии. Потому что если мы собираемся исследовать Марс, то лучше делать это со стилем, дальностью и здоровым пренебрежением к законам аэродинамики, как мы их знаем.