Полёт вертолёта на высоте от 30 до 50 км. Потребная тяга винта

[XM Eger]

Задачка для вертолётчиков.
Собственно, вопрос возник в связи с сообщением НАСА о разработке дрона для обеспечения прокладки маршрутов движения марсоходам.
Вроде бы да, логичное решение проблемы повышения КПД марсохода.
Но, с другой стороны, вроде бы как понты - при такой разряженной атмосфере (давление составляет сотую часть от земного) для создания необходимой тяги нужно сверхзвуковое обтекание, что вкупе с проскальзыванием предопределяет очень низкий КПД винта и, соответственно, необходимость в источнике мощности в несколько раз превышающей необходимую в земных условиях.
А с третьей стороны - вроде бы реальность полета вертолёта в атмосфере и с характеристиками марсианских условий просчитывали гораздо раньше, чем НАСА: «Техника-молодежи» 1963 №11, обл., с.31. КОСМИЧЕСКИЙ ДИПЛОМ СТУДЕНТА: http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/tm/1963/11/vert-nad-mars.html

Итак, в ниже приведенном сообщении вроде как заложены практически все необходимые вводные по которым можно прикинуть, блеф это или технически реализуемая задача:

Марс будут изучать с вертолета: http://www.newsfiber.com/p/s/h?v=EORFgJYsjzsI%3D+zVhOxx1%2FaRE%3D

В лаборатории ракетных двигателей НАСА в Пасадене был разработан проект беспилотного вертолета, который будет обеспечивать прокладку трасс марсоходов. Об этом было сообщено в пресс-релизе НАСА.
Перед учеными стояла задача разработать такую машину, которая способна работать в более разряженной атмосфере, в условиях более слабой гравитации, чем на Земле.
Такой аппарат должен быть очень легким, а скорость вращения его лопастей должна быть намного выше, чем в земных условиях.
На нынешнем этапе мини-вертолёт для Марса представляет из себя устройство весом около килограмма. Это небольшая коробка с приборами и видеокамерами, снабжённая винтами около метра в диаметре, сообщает NASA.
Вес этого устройства — 1 килограмм. Сверху будет находиться ротор, размах лопастей — 1,1 метра.
Аппарат будет иметь кубический корпус на ножках-опорах. В корпус будет вмонтирована солнечная батарея.
Легкий вертолет с быстро вращающимися лопастями сможет ежедневно совершать 2-3-минутные полеты на расстояние до 500 метров, после чего в течение дня будет заряжаться от бортовой солнечной батареи.
Так как марсоходы за день проделывают короткий путь, то небольшому дрону не нужно будет много заряда батареи, что позволит сделать его более компактным.

Справочный данные:

На Марсе гравитация 38% от земной.
Атмосферное давление у поверхности Марса составляет от 0,7 до 1,155 кПа (что соответствует земному на высотах от 30 до 50 километров).

История вертолетных рекордов: http://www.nnre.ru/transport_i_aviacija/aviacija_i_kosmonavtika_2008_03/p3.php

12 июня 1972 года лётчик Жан Буле достиг высоты 12442 м на максимально облегченном легком многоцелевом вертолете «Лама».
Винтокрылый аппарат являлся развитием вертолета «Алуэтт II» и предназначался для эксплуатации на больших высотах. Вертолет «Лама» имел более мощный ГТД «Артуст ШВ» (735 л.с.) и усовершенствованный несущий винт с улучшенными несущими свойствами.
Разработку «Ламы» вели по заказу правительства Индии, с обязательным условием, что вертолет должен садиться с полезной нагрузкой 200 кг на площадку, расположенную на высоте 6000 м.
В рекордном полете из-за низкой температуры окружающего воздуха (-63 °С) у вертолета заглох двигатель. Все попытки запустить его оказались безуспешными.
Жану Буле пришлось совершить самое длительное по времени снижение на режиме самовращения несущего винта.
Рекордная высота полета 12442 м в последующие годы не была превзойдена и остается до сих пор абсолютным мировым рекордом высоты для вертолета.

Рекорды высоты в горизонтальном полете на турбореактивных самолётах: http://www.testpilot.ru/usa/lockheed/sr/71/sr71_rec.htm 

28.07.1976 на SR-71A, принадлежащим 9-му SRW капитан Роберт Хилт и майор Ларри Эллиот забрались на 25 929,031 м, установив тем самым абсолютный рекорд высоты горизонтального попета.

[media]http://youtu.be/dnDu2_aWISg[/media]​

 

[levadelta]

О других типах СУ надо наверное подумать...

 

[vovatuner]

А причем тут рекорд высоты для самолетов?
Кстати, МИГ-25 "забирался" на 37 км.

 

[XM Eger]

А причем тут рекорд высоты для самолетов?
Кстати, МИГ-25 "забирался" на 37 км. 

Причем тут рекорд высоты для самолетов? - Ну, показывает принципиальную возможность горизонтального полета на такой высоте воздушного судна с турбореактивным двигателем.
Динамический потолок я в зачёт не брал. Вот SpaceShipOne прыгнул до 112000 м на много переплюнув  North American X-15 и в разы выше МиГ-25 (Е-266), но ведь они были с ракетными двигателями в отличие от турбореактивных у МиГ-25. Но все это динамический, выстрелом верх, достигнутый потолок.

 

[XM Eger]

О других типах СУ надо наверное подумать...

А чего думать - сказано же, что у аппарата двигатель электрический, выдаёт потребную мощность в течение 2-3 минут, что бы таскать аппарат общим весом 1 кг (только не понятно, с марсианским или земным) на эквивалентной земной высоте в 30-50 км...

 

[candid]

весом 1 кг (только не понятно, с марсианским или земным) 

Это масса, вес будет определяться произведением массы на ускорение свободного падения. Проект же вполне реализуем, мне кажется.

 

[XM Eger]

А причем тут рекорд высоты для самолетов? 

Что б показать, что ни одно воздушное судно с созданием подъёмной силы от набегающего потока воздуха на Земле, на таких высотах (в 30-50 км) летать не может, не смотря ни на какой прогресс и достижения науки и техники.

А вот на Марсе, вопреки законам физики, где давление атмосферы соответствует земному на высоте 30-50 км - по заявлению НАСА должно летать. И причём от электромоторчика в пол-лошадиной силы и парой пропеллеров в метр диаметром.

 

[candid]

А то, что сила тяготения на Марсе тоже меньше земного, не учитываете?

 

[mErLin]

Почему все говорят про давление? Необходимо учитывать плотность. Она меньше земной "всего" в 60 раз, а не в 100-120.

 

[XM Eger]

А то, что сила тяготения на Марсе тоже меньше земного, не учитываете?

А Вы посмотрите первый пост.

 

[XM Eger]

Почему все говорят про давление? Необходимо учитывать плотность. Она меньше земной "всего" в 60 раз, а не в 100-120.

Очень интересное сообщение. Действительно, элементный состав атмосферы Марса "тяжелее" земной. Дайте, пожалуйста, ссылку откуда Вы взяли эти данные.
Дело в том, что по опубликованным данным плотность атмосферы Марса всего на 10% больше плотности атмосферы Земли на высоте, соответствующей 30000 м.

Будьте добры, покажите ссылку, подтверждающие ваши данные.

 

[XM Eger]

А то, что сила тяготения на Марсе тоже меньше земного, не учитываете?

Вообще то, кроме уже сказанного, в том числе и о силе тяготения, при расчёте воздушного винта, способного тянуть массу в 1 кг в атмосфере Марса ещё много чего надо учитывать.
Например, скорость звука, какова она там?

Есть разные сведения:
Марсианский парашют и ракетные сани. Именно так NASA испытывает огромные «сверхзвуковые» парашюты, один из которых будет использован на посадке на Марс: http://www.popmech.ru/technologies/15435-marsianskiy-parashyut-i-raketnye-sani/

Данные, полученные исследователями во время подобных испытаний, позволяют им улучшить конструкцию парашюта, который однажды должен будет раскрыться над поверхностью Марса и затормозить корабль до 80 м/с со скорости около 490 м/с (что вдвое превышает скорость звука в марсианской атмосфере).

Т.е., скорость звука в марсианской атмосфере составляет около 245 м/сек, что примерно соответствует скорости звука в земной атмосфере на высоте 30 км - 292 м/сек.

Но есть другие мнения:
Небо Марса: http://galaxy-science.ru/o-sajte/item/53-nebo-marsa.html

По последним данным, ученные пришли к выводу, что скорость звука на Марсе очень низкая, по некоторым данным в 8(!) раз ниже земной, означает это что даже при порывах ветра в 80м/с, такая атмосфера не обладает, достаточной несущей силой и плотностью чтобы переносит большие частички и массы грунта.

Марсианская акустика: "планета глухих"?: http://zoom.cnews.ru/rnd/news/line/marsianskaya_akustika_planeta_gluhih_

При том, что на Марсе физические свойства звука остаются неизменными, как и на Земле, результаты исследования показывают, что звук на Марсе воспринимается более низким и распространяется на очень короткую дистанцию.
По мнению исследователей, более низкий тон объясняется различиями в скорости звука. Это вызвано особенностями атмосферы Красной планеты, состоящей из углекислого газа с небольшой долей азота и аргона и следами паров воды и кислорода.

Марс: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%80%D1%81

Плотность атмосферы у поверхности ~0,020 кг/м3, общая масса атмосферы Марса ~2,5·1016 кг.

Таблица - давление кПа, плотность кг/м3 , температура °C - земной атмосферы (воздуха) в зависимоcти от высоты над уровнем моря по версии ICAO. От -250 м до 30 000 м: http://www.dpva.info/Guide/GuideMedias/GuideAir/ICAOairupto30000m/

Высота над уровнем моря, м: 30 000, Давление, кПа - 1.2, Плотность, кг/м3 - 0.018, Температура, °C - -46

Из этих данных следует, что при любом раскладе, что бы создать достаточную подъёмную силу окружная скорость воздушного винта должна будет превышать скорость звука на Марсе от двух до 10 раз.
Разве это технически возможно?

При этом следует сказать, что здесь берётся самое высокое атмосферное давление, существующее на Марсе и соответствующее атмосферному давлению на Земле на высоте 29-30 км и только летом. Давление же на среднем радиусе Марса примерно соответствует земному на высоте ближе к 50 км. Т.е., условия для полетов еще более невозможные - на Земле на такую высоту (53 км) смог забраться только метеозонд, запущенный JAXA 25 мая 2002 года из префектуры Ивате, Япония: https://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%E5%F2%E5%EE%E7%EE%ED%E4
И немноо не дотянул до этой высоты пилотируемый аэростат: Рекорд высоты на аэростате - 2012 14 октября      39068 м  Феликс Баумгартнер газовый стратостат «Red Bull Stratos» рекорд не признан ФАИ

Атмосферное давление Марса: http://volamar.ru/subject/04sirius/view_post.php?cat=2&id=8

По данным НАСА на 2004 год, давление атмосферы на среднем радиусе составляет 6,36 мб. Плотность у поверхности ~0,020 кг/м3, общая масса атмосферы ~2,5·1016 кг.
В отличие от Земли, масса марсианской атмосферы сильно изменяется в течение года в связи с таянием и намерзанием полярных шапок, содержащих углекислый газ. Во время зимы 20-30 процентов всей атмосферы намораживается на полярной шапке, состоящей из углекислоты[21]. Сезонные перепады давления, по разным источникам, составляют следующие значения:
По данным НАСА (2004): от 4.0 до 8.7 мбар на среднем радиусе;
По данным Encarta (2000): от 6 до 10 мбар;
По данным Zubrin и Wagner (1996): от 7 до 10 мбар;
По данным посадочного аппарата Викинг-1: от 6,9 до 9 мбар;
По данным посадочного аппарата Mars Pathfinder: от 6,7 мбар.
Ударная впадина Эллада (Hellas Impact Basin) — самое глубокое место, где можно обнаружить самое высокое атмосферное давление на Марсе
Область Эллада (Марс) настолько глубока, что атмосферное давление достигает примерно 12,4 миллибара, что выше тройной точки воды (~6,1 мб) и ниже точки кипения. При достаточно высокой температуре вода могла бы существовать там в жидком состоянии; при таком давлении, однако, вода закипает и превращается в пар уже при +10 °C.

Так что очень мало оптимизма насчёт возможности полетов в атмосфере Марса аэродинамических летательных аппаратах.
Об этом же говорится и здесь:
"Инопланентная" авиация, для исследования атмосфер: http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/forum11/topic99/

 

[rjycfknbyu]

сделают огромный винт и делов . хоть 200 метров. там это технически практически проще эксплуатировать , чем в земных условиях. и сопротивление вращению меньше, в итоге то на то. и выйдет. Да и сам аппарат в абсолютном отношении будет легче чем вертолеты земные.

 

[mErLin]

Будьте добры, покажите ссылку, подтверждающие ваши данные. 

http://wiki.marstefo.ru/atmosfera

скорость звука на Марсе очень низкая, по некоторым данным в 8(!) раз ниже земной

Ну это вряд-ли (по крайней мере,  если не брать те слои, где расстояние между молекулами сравнимо со свободным пробегом). Скорость звука в газах - sqrt([ch947]kT/m)

k - постоянная больцмана
[ch947] - показатель адиабаты (7/5 для 2-атомных газов)
T - абсолютная температура отличается не сильно (пусть будет 250 и 290)
m - молекулярная масса (на Марсе - 28.8, Земля - 45.3)

Откуда 8 раз? Реально, где-то 200м/c с копейками.

 

[XM Eger]

Ну это вряд-ли (по крайней мере,если не брать те слои, где расстояние между молекулами сравнимо со свободным пробегом). Скорость звука в газах - sqrt([ch947]kT/m)
Откуда 8 раз? Реально, где-то 200 м/c с копейками. 

Спасибо за обоснованный ответ, там выше есть ссылка. указывающая на скорость звука в атмосфере Марса в 245 м/сек - согласуется с Вашей выкладкой.

Ну, а это как, есть обоснование?

Почему все говорят про давление? Необходимо учитывать плотность. Она меньше земной "всего" в 60 раз, а не в 100-120.

Выше показано со ссылкой, что плотность марсианской атмосферы больше земной на аналогичной высоте всего лишь на 10%. И то, только летом, зимой становится меньше из-за конденсации углекислоты в шапках на полюсах Марса.

 

[XM Eger]

Сделают огромный винт и делов, хоть в 200 метров.
Там это технически практически проще эксплуатировать, чем в земных условиях.
И сопротивление вращению меньше, в итоге то на то и выйдет.
Да и сам аппарат в абсолютном отношении будет легче. чем вертолеты земные.

Всё Вы правильно говорите, но как такой аппарат доставить на Марс для трекирования марсоходов?
Поэтому НАСА и создало прототип дрона для Марса с соосными винтами диаметром 1,1 м и массой аппарата в 1 кг, с электродвигателем, аккумалятор которого заряжается от солнечных бортовых батарей.
Повторяю это сообщение:

Марс будут изучать с вертолета: http://www.newsfiber.com/p/s/h?v=EORFgJYsjzsI%3D+zVhOxx1%2FaRE%3D
Цитата:
В лаборатории ракетных двигателей НАСА в Пасадене был разработан проект беспилотного вертолета, который будет обеспечивать прокладку трасс марсоходов. Об этом было сообщено в пресс-релизе НАСА.
Перед учеными стояла задача разработать такую машину, которая способна работать в более разряженной атмосфере, в условиях более слабой гравитации, чем на Земле.
Такой аппарат должен быть очень легким, а скорость вращения его лопастей должна быть намного выше, чем в земных условиях.
На нынешнем этапе мини-вертолёт для Марса представляет из себя устройство весом около килограмма. Это небольшая коробка с приборами и видеокамерами, снабжённая винтами около метра в диаметре, сообщает NASA.
Вес этого устройства — 1 килограмм. Сверху будет находиться ротор, размах лопастей — 1,1 метра.
Аппарат будет иметь кубический корпус на ножках-опорах. В корпус будет вмонтирована солнечная батарея.
Легкий вертолет с быстро вращающимися лопастями сможет ежедневно совершать 2-3-минутные полеты на расстояние до 500 метров, после чего в течение дня будет заряжаться от бортовой солнечной батареи.
Так как марсоходы за день проделывают короткий путь, то небольшому дрону не нужно будет много заряда батареи, что позволит сделать его более компактным. 

Похоже на первоапрельский розыгрыш.

 

[XM Eger]

Что б показать, что ни одно воздушное судно с созданием подъёмной силы от набегающего потока воздуха на Земле, на таких высотах (в 30-50 км) летать не может, не смотря ни на какой прогресс и достижения науки и техники.

Всё-таки был аппарат Lockheed A-12 "Blackbird" у которого практический потолок 28500 метров и который мог бы пролететь над ударной впадиной Эллада на Марсе (был бы там ещё и кислород), где самое высокое давление атмосферы, но только летом и очень низенько со скоростью 3500 км/час, затрачивая десятки тысяч л.с., колеблясь по высоте плюс-минус двести метров из-за низкой эффективности на такой высоте аэродинамических рулей и очень непродолжительное время.
А вертолёт есть такой?

 

[JohnDoe]

Вот блин, оказывается у "пендосов" тоже сплошной распил и откат! Надо киселёвым/соловьёвым продать(задорого) инфу из этой ветки, то-то радости будет! ;D
А если серьёзно, то ту же задачу можно решить менее затратно, тем паче у америкосов уже всё для этого есть. Как можно связаться с НАСА? Деньгой поделюсь. 😉

 

[XM Eger]

Вот блин, оказывается у "пендосов" тоже сплошной распил и откат!
Надо киселёвым/соловьёвым продать (задорого) инфу из этой ветки, то-то радости будет! ;D

Если бы в этом блефе это было  всё - сама возможность полёта вертолёта в столь разреженной атмосфере Марса!
А то ведь заявляют, что аккумулятор дрона в сумеречной атмосфере Марса за световой день зарядится от бортовой солнечной батареи диаметром 20 см (на картинке синий надвтулочный диск), что бы на следующий день полетать 3-4 минуты. Это ж что за микроэлектродвигатель такой, которому на это хватит такого мизера электроэнергии?
А потом какой аккумулятор может работать при средней температуре -60 - -80 градусов Цельсия? При этом какой вес будут системы термоизоляции и терморегуляции, сколько она будет весить и потреблять электроэнергии?

 

[uxus]

Я смотрю, все сошлись во мнении, что этого не может быть, потому что не может быть никогда 🙂 Естественно земные ЛА не смогут летать на Марсе, потому что на это не рассчитаны.
Но если подумать:
Средняя плотность атмосферы Марса 0.020 кг/м3, что в 61.25 раз меньше земных 1.225 кг/м3. Значит ометаемая винтом площадь должна быть в 61.25 раз больше, чем на Земле, для создания такой же тяги при прочих равных. Еще надо вспомнить, что марсианский килограмм равен 376 земных грамм. То есть земной эквивалент марсианского метрового винта должен иметь диаметр 13 см и создавать тягу 376г. Китайский авиамодельный винт ценой $5 за мешок такую тягу создает при потребляемой мощности около 100 Вт. Здесь ничего принципиально невозможного.
Теперь по солнечным батареям. Освещенность Марса примерно 45% от земной. Гугл подсказывает мне, что с учетом ночи и пасмурных дней доступные солнечные батареи на Земле могут вырабатывать порядка 30 Вт/м2. Значит на Марсе подобная батарея в форме диска диаметром 20 см сможет вырабатывать 10 Вт*ч в сутки. Этого хватит минут на 6 полета. Т.е. примерно то же, что написано в статье.