Вертолет — тип винтокрылого аппарата, в котором двигатель приводит в движение один или несколько винтов. В данной статье будет рассмотрена история и развитие вертолетов.
Первый успешный вертолет был построен французом Полем Корню в 1907 году. Он имел два несущих винта и приводился в движение 4-цилиндровым бензиновым двигателем.
Содержание материала
Что это за штука
Фото
Беспилотный летательный аппарат весом 1,8 килограмма и высотой 80 сантиметров — результат семи лет работы инженеров Лаборатории реактивного движения NASA. Дрон оснащён двумя винтами диаметром по 1,2 метра каждый, они расположены на одной оси и вращаются в противоположных направлениях со скоростью 2400 оборотов в минуту. Вертолёт может подняться на высоту до десяти метров и пролететь метров 300 приблизительно за полторы минуты. Первый полёт — тестовый, задача самая скромная: три метра за 20–30 секунд.
Видео
Будет ли вертолёт работать на Марсе?
Воплотить идею о том, что марсианская атмосфера сможет поддерживать аппараты способные маневрировать в столь разряженной атмосфере имеет большие риски. Прежде всего, связанно это с тем, что плотность марсианского воздуха составляет менее 1% плотности атмосферы Земли, такие условия на нашей планете встречаются на высоте 30500 метров. Но так высоко вертолёты не летают на Земле, у них просто не хватает тяги. Максимальный подъём на Земле, который покорил вертолёт, составляет 12442 м. На эту высоту поднялся француз Жан Булев 1972 году. Для обычных полётов максимальная высота подъёма не превышает 3500 метров. И это делает полёт на Марсе действительно сложным.
Чтобы полёт стал возможным в условиях красной планеты аппарат должен быть настолько мощным и лёгким, чтобы иметь, возможность зацепиться своими лопастями за столь тонкую атмосферу Марса. Получить такую комбинацию стало возможным с развитием новых технологий и материалов ранее недоступных.
Развитие технологий даёт возможности сделать полёт на другой планете возможным. Миниатюрная электроника, более прочные, лёгкие конструкции высокоэнергетические аккумуляторы, эффективные солнечные батареи ранее недоступные делают Ingenuity легче. А в условиях гравитационного притяжения изучаемой планеты аппарат будет весить ещё в 2.6 раз меньше.
Но даже при всём этом, чтобы Ingenuity создал подъёмную силу для полёта, в тонкой атмосфере нужен большой винт. Работа над уменьшением веса и подъёмной силы велась 4 года. В итоге Ingenuity (Изобретательность) имеет два винта вращающихся в разные стороны на скорости почти 50 оборотов в секунду, а это больше в 10 раз, чем у вертолётов на Земле.
Будем надеяться, что этого будет достаточным, и мы в ближайшее время увидим полёт вертолёта над красной планетой.
Как летают вертолёты
В базовой модели винт вертолёта захватывает воздух лопастями и отталкивает его вниз. Набегающий поток воздуха создаёт разницу давления под и над лопастью – так возникает подъёмная сила. Если лопасти повернуть подъёмная сила вырастит и когда она превысит силу тяжести, вертолёт взлетит. Для того чтобы двигаться вперёд, наклон лопасти одного винта будет уменьшаться и создавать меньшую силу тяги когда будет проворачиваться над носом вертолёта, он будет наклоняться и лететь вперёд. Точно также управляют вправо, влево, где угол наклона лопасти меньше туда и полетим.
Почему у Ingenuity (Изобретательность) нет хвостового ротора
Базовые модели вертолётов на Земле имеют хвост оборудованный винтом. Хвост, является не только органом управления для разворота, но и предотвращает вращения, в направлении вращения винта сверху. Поскольку крутящий момент вращающегося сверху ротора, заставляет его вращаться в одном направлении, ротор на хвосте создаёт обратную тягу.
Почему тогда у Ingenuity нет хвостового ротора? Всё дело в том, что вертолёт для Марса должен иметь, как можно меньший вес, а дополнительный хвост утяжелил бы его. Ingenuity снабдили коаксиальной системой роторов — два винта расположенные друг над другом вращающихся в противоположных направлениях. Поскольку два ротора вращаются в противоположных направлениях, вращение дрона вдоль оси сводится к нулю и не требует хвостового ротора. Избавление от хвоста позволило сделать Ingenuity меньшим размером и сэкономить место под ровером для транспортировки на красную планету.
Как будет летать марсианский вертолёт
Конструкция марсианского вертолёта NASA имеет коаксиальные роторы – представляет собой два винта расположенных друг над другом (соосная схема). Как уже описали выше, такая система не требует хвоста и имеет более компактный вид.
Разработчики создали довольно шуструю модель, скорость вращения роторов для передвижения в атмосфере Марса составит 2400 оборотов в минуту при максимально возможной 2800 оборотов.
Для совершения лётных манёвров: полёт вверх, вперёд, вправо, влево соосная схема имеет автомат перекоса – принцип работы следующий. Допустим мы хотим направить дрон к определённой цели, для этого лопасть винта проворачиваясь в направлении этой цели будет кратковременно менять свой наклон создав меньшее давление воздуха под лопастью, дрон наклонится к цели и полетит в этом направлении. Что касается взлёта, и посадки то здесь наклон каждой лопасти будет меняться на всех лопастях. Наклон лопасти с большим углом будет больше захватывать воздух и отталкивать его вниз, это позволит аппарат поднять вверх, уменьшение угла позволит опустить его вниз. Для более полного понимания принципа действия соосной схемы предлагаем взглянуть на видео.
Характеристики Ingenuity
Ingenuity «Изобретательность» создан мощным и лёгким, чтобы взлетать в тонкой суровой атмосфере Марса. Он автономный, способный летать без контроля человеком. В своих размерах был ограничен до 1.2 метра пространством доступным на днище ровера. Поэтому максимальный размер его лопастей не превышает 1.2 метра, а этот размер в свою очередь ограничил его вес. Основной вес всего аппарата составляют литий-ионные аккумуляторы и винты.
Технические характеристики
Габаритные размеры:
- Корпус куб: 14 см с каждой стороной.
- Винты: 120 см.
- Высота: 80 см.
Посадочная масса:
- Вес: 1,8 кг на Земле и 0.69 кг на Марсе.
- Батареи: 273 г.
Радиус радиосигнала: 1000 м, скорость передачи 250 кбит/с.
Лётные характеристики
- Число оборотов: 1900–2800 в минуту.
- Максимальная дальность полёта: 300 м.
- Максимальная высота взлёта: 10 м.
- Максимальная горизонтальная скорость: 10 м/с.
- Вертикальная скорость: 3 м/с.
Зачем нужен вертолёт на Марсе
© Giphy / NASA / JPL-CalTech
Конечно, на борту установлены две камеры, так что NASA рассчитывает получить аэрофотосъёмку места посадки Perseverance. Но первая задача — выяснить, может ли там вообще что-либо летать. Инженеры сделали всё возможное, чтобы это получилось, но всё-таки атмосфера на Марсе настолько хилая, что насчёт этого остаются сомнения. О том, чтобы взлететь на высоту, скажем десяти километров, как на Земле, — и речи быть не может.
— Плотность атмосферы Марса составляет всего один процент от плотности атмосферы Земли, поэтому, когда наш вертолёт находится на поверхности Марса, для него это всё равно что находиться на высоте 100 000 футов над Землёй (порядка 30 километров. — Прим. Лайфа). Чтобы заставить его летать при такой низкой плотности атмосферы, мы должны были всё тщательно изучить, сделать его как можно более лёгким и при этом настолько сильным и мощным, насколько это возможно, — объясняла в 2018 году менеджер проекта Мими Аунг.