18 февраля американским космическим агентством NASA будет осуществлена посадка самого большого в истории марсохода с летающим дроном Ingenuity на борту.
Как разработчик дронов попробую выяснить, а возможно ли взлететь на "обычном" мультикоптере в условиях марсианской атмосферы. На полке рядом лежит самосборный дрон, собранный из запчастей с Алиэкспресса успешно летающий не первый год в земных условиях для подъема фотокамеры, для геодезической и картографической съемки.
Взлетная масса коптера на матушке Земле 3.3 кг, из них:
- Корпус, рама, провода - 700 гр.
- Полезная нагрузка (хорошая фотокамера со стабилизированным подвесом) — 800 гр.
- Батарея, литий ионная, из «стандартных», но хороших 18650 элементов, 24 шт. — 1 200гр.
- Двигатели, регуляторы — 600 гр.
Для расчетов буду пользоваться калькулятором eСalc.ch Калькулятор вполне точен, у автора для большинства конфигураций мультикоптеров разница с реальностью была меньше 10%.
Мультикоптер, и по расчетам, и фактически, висит в воздухе почти 30 минут . Дальность полета при экономичной скорости в 25 км/ч составит, согласно расчетам, 6.6 км. Это немного, скорость и расстояние полета не самая сильная сторона выбранного коптера (есть дроны и с дальностью пробега до 30 км, но чуть большего размера). Однако для сравнения цифру дальности запомним.
А теперь перенесем наш аппарат на Марс. Летать, конечно, он там не будет, атмосфера на Марсе разряжена - давление на поверхности примерно 0.6% относительно земной. Ну то есть воздуха почти нет, но он есть, хы. Тяги винтов не хватит однозначно. Слишком малая скорость и мощность потока в разряженной атмосфере, как ни крути (винты).
На земле воздушный винт коптера развивает максимальную тягу в примерно 1.6 кг, то такая же винтомоторная группа (т.е. винт-двигатель с подачей нужного напряжения на его питание) в условиях Марса будет тянуть вверх с силой, соответствующей 40 граммам.
Давление атмосферы на поверхности Марса, как известно, в 170 раз меньше чем на Земле. Но при этом состав воздуха другой, почти полностью состоит из углекислого раза, и имеет бОльшую плотность, нежели смесь азота-кислорода на Земле. Для справки:
- Плотность атмосферы у поверхности Земли 1.225 кг на метр кубический.
- Плотность атмосферы у поверхности Марса 0.020 кг на метр кубический.
Итого, разница в плотности — примерно в 60 раз. Поскольку в калькуляторе нет возможности задать плотность атмосферы, просто пересчитаем давление, типа у нас земная атмосфера, но с меньшим, в 60 раз давлением. Еще раз подчеркну, давление атмосферы на поверхности Марса меньше земного в 170 раз, однако плотность (т. е. масса молекул с учетом меньшей стандартной температуры среды), отличается в «всего лишь» в 60 раз.
Чтобы создать приемлемую тягу нужно:
- увеличить диаметр и шаг винтов
- увеличить обороты двигателя.
Что приведет к большему «пропускаемому» через винты объему марсианского воздуха, причем с большей массой и скоростью, и увеличит тягу винтомоторной группы. Размер винтов для нужной на Марсе тяги (суммарная тяга относительно массы для стабильного полета коптера должна быть ~ 2 единиц) получается 35“ с шагом 15“. Размер рамы аппарата также придется пропорционально увеличивать. Но в итоге , коптер будет висеть над поверхностью Марса уже 36 минут, а не 30, как на Земле.
В расчетах была учтена низкая гравитация Марса, которая составляет 0.38 от земной. Вес аппарата на Красной планете будет 1400 гр (а на Земле 3700гр), что очень помогает в полете.
Еще один интересный вывод из расчетов. За счет большей скорости воздушного потока от винтов увеличиться и собственная скорость полета дрона (максимальная для конфигурации - 130 км/ч), и дальность — 18 км при оптимальной скорости в районе 70 км/ч. Это значительно больше, чем в атмосфере Земли, где коптер пролетит от 6 с небольшим км при экономичной скорости в 25 км/ч.
Выводы:
- Мультикоптер с аналогичными характеристиками на Марсе летать будет, нужно всего лишь увеличить диаметр и шаг винтов (и, понятно, изменить настройки полетного контроллера).
- Скорость и дальность полета дрона в условиях атмосферы Марса будут примерно в 3 раза больше при аналогичных технических характеристиках.
Еще пара замечаний по конструкции марсианского вертолета. Классический мультикоптер с 4, 6 и более винтами управляется с помощью изменения оборотов двигателя. Такая схема в условиях достаточно плотной среды позволяет быстро изменять тягу каждого двигателя, и таким образом, управлять стабильным положением аппарата в пространстве.
При увеличении размеров винтов, а значит и их инерции, быстрое и резкое изменение тяги будет невозможно. Таким способом не получиться стабилизировать полет. Поэтому в условиях разряженной атмосферы Марса придется перейти к более сложной механике управления с помощью изменения шага винтов. Что и сделано в проекте марсианского двухвинтового дрона Ingenuity, полет которого, очень надеюсь, скоро сможем наблюдать.
