A NASA következő generációs marsi helikoptereinek rotorlapátjai áttörték a hanghatárt a dél-kaliforniai Jet Propulsion Laboratory márciusi tesztjei során. A Vörös Bolygó környezeti viszonyait szimulálni képes speciális kamrában végzett kísérletek adatai azt mutatják, hogy a rotorlapátok leggyorsabban mozgó részei, a lapátvégek, képesek voltak elérni az 1-es Mach-számot anélkül, hogy szétestek volna. A 137 tesztelésből származó adatok lehetővé teszik a mérnökök számára, hogy olyan légi járműveket tervezzenek, amelyek nagyobb hasznos terhet, köztük tudományos műszereket is képesek szállítani.
„A NASA nagyszerűen teljesített az Ingenuity Mars Helikopterrel, de mi azt kérjük ezektől a következő generációs légi járművektől, hogy még többet tegyenek a Vörös Bolygón” – mondta Al Chen, a JPL Mars-kutatási programjának vezetője. „Ez nem könnyű feladat. Bár a Marson minden nehéz, a repülés ott talán a legnehezebb dolog, amit el lehet képzelni. Ennek az az oka, hogy a légköre hihetetlenül ritka, így nehéz felhajtóerőt generálni, miközben a Mars gravitációja jelentős.”
Az Ingenuity, amely alig több mint öt évvel ezelőtt, 2021. április 19-én hajtotta végre az első irányított, motoros repülést egy másik égitesten, egy úttörő technológiai demonstráció volt, amely nem szállított tudományos műszereket. Az ügynökség nemrégiben bejelentett SkyFall projektje és más potenciális jövőbeli marsi légi járművek képesek lesznek hasznos terheket – köztük tudományos műszereket és érzékelőket – szállítani, hogy adatokat gyűjtsenek a jövőbeli emberes és robotmissziók támogatására, kihasználva az alacsony magasságú légifelderítés előnyeit.
Sebességre van szükség
A rotorok gyorsan változó világában a nagyobb tolóerő gyorsabb forgásból vagy nagyobb átmérőből származik. Bár ez az axióma a Földön is érvényes, a Vörös Bolygóra légi járműveket tervező mérnököknek sokkal agresszívebbnek kell lenniük. Mivel a Mars légköre csak 1%-a a Földének, a tolóerő maximalizálásához a lapátvégeket a hangsebesség közelébe kell juttatni a jelentős felhajtóerő eléréséhez. Míg a Földön a kis átmérőjű rotorok is foroghatnak több ezer fordulat/perc sebességgel, nekik több levegőmolekulát kell megmozgatniuk, és nem kell megközelíteniük a hanghatárt.
Az Ingenuity repülési csapata soha nem engedte, hogy a kompozit burkolatú habrotorok fordulatszáma meghaladja a 2700-as fordulatszámot a helikopter 72 marsi repülése során, két okból: hogy elkerüljék a hanghatár kiszámíthatatlan fizikáját, és hogy biztosítsák, hogy egy váratlan széllökés (például egy porördögtől) ne küldje a rotorvégeket a hanghatár fölé. „Ha Chuck Yeager itt lenne, azt mondaná, hogy a dolgok furcsává válhatnak az 1-es Mach-szám környékén” – mondta Jaakko Karras, a JPL rotor tesztvezetője. „Ezt szem előtt tartva úgy terveztük meg az Ingenuity repüléseit, hogy a rotorlapátok végeit 0,7 Mach-on tartsuk szélcsendben, hogy ha menet közben marsi ellenszéllel találkoznánk, a rotorvégek ne menjenek szuperszonikussá. De több teljesítményt szeretnénk a következő generációs marsi légi járműveinktől. Tudnunk kellett, hogy a rotorjaink biztonságosan gyorsabban mehetnek-e.”
Míg az 1-es Mach-szám a Földön a tengerszinten körülbelül 1223 km/óra, addig a hangsebesség a Marson jelentősen lassabb – körülbelül 869 km/óra – a bolygó vékony, hideg, szén-dioxidban gazdag légköre miatt.
Lapátbiztos kamra
A rotorok értékelésének megkezdéséhez Karras és csapata egy háromlapátos rotort szerelt fel, amelyet a jövőbeli marsi helikopterek terveiben lehetne használni, a JPL történelmi 25 láb átmérőjű Űrszimulátorába. Kiszivattyúzták a levegőt, és annyi szén-dioxiddal töltötték fel, amennyi a marsi légkörnek felel meg, majd széllel fújták a rotort, miközben az egyre növekvő sebességgel forgott. A tesztmérnökök óvintézkedésként a kamra egy részét fémlemezzel bélelték ki arra az esetre, ha a lapátok szétesnének a szuperszonikus kísérlet során.
A kamrától néhány méterre lévő vezérlőteremből a csapat olyan kijelzőket figyelt, amelyek adatokat és a kamra belsejét mutatták, miközben a fordulatszám 3750-ig emelkedett. Ezen a sebességen a lapátvégek 0,98 Mach sebességgel haladtak. Ezután a mérnökök bekapcsoltak egy ventilátort a kamrában, amely ellenszéllel árasztotta el a rotorokat. Minden egyes futás után növelték a szél sebességét a következő futáshoz. A csapat a rotorlapátok végsebességét 1,08 Mach-ra tolta, ami 30%-kal növelte a marsi jármű emelőképességét. Ez az áttörés lehetővé teszi a jövőbeli küldetések számára, hogy nehezebb tudományos hasznos terheket, köztük fejlett érzékelőket és nagyobb akkumulátorokat támogassanak a hosszabb repüléshez.
Ezután a csapat a kétlapátos SkyFall rotorral próbált szerencsét. Mivel ez kissé hosszabb, mint a háromlapátos változat, mindössze 3570 fordulat/perc volt szükséges ugyanazon, a hangsebességhez közeli sebesség eléréséhez a rotorvégeken, mielőtt bekapcsolták volna az ellenszelet. „Ezen rotorok sikeres tesztelése nagy lépés volt a repülés megvalósíthatóságának bizonyítása felé a nagyobb kihívást jelentő környezetekben, ami kulcsfontosságú a következő generációs járművek számára” – mondta Shannah Withrow-Maser, a NASA Ames Kutatóközpontjának aerodinamikusa és a tesztcsapat tagja. „Azt gondoltuk, szerencsések leszünk, ha elérjük az 1,05 Mach-ot, és az utolsó futásainkon elértük az 1,08 Mach-ot. Még mindig elemezzük az adatokat, és lehet, hogy még több tolóerő áll rendelkezésre. Ezek a következő generációs helikopterek csodálatosak lesznek.”
© NASA/JPL-Caltech
Forrás: Nasa.gov ↗̱
