¿Podría un helicóptero volar en Marte?

La gravedad es aproximadamente un tercio de la Tierra y los modelos competitivos de helicópteros de acrobacia aérea tienen un excedente de energía realmente excesivo. Solo mira esto .

No habrá ningún vuelo en helicóptero tripulado. La potencia del helicóptero se escala mal con el tamaño: hay una razón por la que no tenemos VTOL Jumbo Jets. Pero el mismo problema de ampliación es nuestro amigo cuando se reduce. Un helicóptero de 6 kg puede levantar 30 kg de carga útil, por lo que tenemos el equivalente a TWR=6 en la Tierra.

La resistencia y la sustentación son idénticamente (cuadráticamente) proporcionales a la velocidad del aire, por lo que la misma pérdida de sustentación provoca la pérdida de la fuerza limitante principal del helicóptero: la resistencia del aire en las palas. Lo que queda son las pérdidas mecánicas (fricción de los cojinetes) y la durabilidad mecánica de la construcción, pero estos se pueden construir con mucho excedente, además de que las palas de rotor más grandes compensarán la necesidad de RPM extremas.

Por supuesto hay que tener en cuenta otras cosas. Estos vuelos serán más como "saltos": un segmento corto de vuelo seguido de un período de recarga muy largo. Y el dron deberá ser pequeño, y eso significa que no hay mucho equipo científico. Desafortunadamente, eso también significa que no será completamente autónomo, ya que simplemente no habrá suficiente espacio para colocar una buena radio y una antena para llegar a la Tierra, o incluso a los satélites. Pero definitivamente podría servir como un "vehículo de reconocimiento" para un rover grande, obteniendo pequeñas muestras, probando la firmeza de la superficie del suelo para conducir y planificando la mejor ruta.

2021.03.16 editar:

Ingenuity ha realizado su primer vuelo. . La mayoría de los datos en mi publicación predijeron correctamente los parámetros de Ingenuity. 2.500 rpm a un radio de rotor de 60 cm proporciona una velocidad lineal máxima de 157 m/s de las puntas del rotor, frente a la velocidad del sonido de 267 m/s en dióxido de carbono (y 90 m/s en helicópteros RC de aerobatación), por lo que permanecieron subsónicos. Es liviano: 1,8 kg, comparable a los modelos acrobáticos más pesados. Utiliza el rover como retransmisor para contactar los satélites y la Tierra. Las palas del rotor son más anchas y más largas que en los helicópteros RC de aerobatación para compensar la atmósfera delgada, pero el motor es comparable a los modelos intermedios en cuanto a la potencia de salida. El helicóptero es capaz de realizar un vuelo de 30 segundos y requiere un día para recargar las baterías.

2021-09-05 editar:

Una vez finalizada la primera fase: la demostración tecnológica de la viabilidad del vuelo propulsado en Marte, Ingenuity realiza un trabajo de reconocimiento para ayudar a Curiosity a elegir objetivos interesantes.

No hay nada como verlo volar en una cámara de densidad de Marte para responder a su pregunta:

Ingeniería loca: helicóptero de Marte

Tengo un video muy bueno de él en vuelo controlado en la cámara, pero todavía no puedo encontrar ese en las redes.

Actualización dos años después:

Gracias SF por este enlace a un buen video .

Puede calcular la potencia de vuelo necesaria a partir del efecto suelo utilizando las siguientes fórmulas:

Dado$m$, la masa del helicóptero, la fuerza de sustentación requerida es$L = g_{Mars}\cdot m$

La potencia requerida en el eje es:

dónde$R$es el diámetro del rotor y FM es la "cifra de mérito". Para un helicóptero pequeño, la FM es menor que 0,66, digamos 0,55.

La densidad a baja altura en Marte es de 0,0152 kg/m ³

La aceleración gravitacional$g_{Mars}$es 3,8 m/s ² .

Ejemplo:

• masa = 2 kg
• ascensor = 7,6 newton
• FM = 0,55
• diámetro del rotor = 1 metro
• densidad = 0,0152 kg/m ³
• pi = 3.1416

El resultado es de 264 vatios.

El hecho de que los rotores contrarrotativos sean coaxiales no reduce significativamente la potencia de vuelo estacionario. El diámetro efectivo es casi el mismo. ¡Tenga en cuenta que, cuando la masa se reduce a 1 kg, la potencia requerida sería de solo 87 vatios!

En resumen: la potencia requerida es proporcional a (ascensor a la$\frac{3}{2}$exponente de potencia), inversamente proporcional al diámetro del rotor e inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la densidad.

Al volar hacia adelante en lugar de flotar, la potencia requerida disminuye significativamente para un fuselaje aerodinámico bien formado. En 1929, Glauert ideó una fórmula aproximada (la solución de un cuártico) que todavía se usa en la actualidad. Un buen libro de texto de referencia es: BW McCormick: Aerodynamics of V/STOL Flight .

No me opongo a la respuesta de Mark, pero me preocupa que las palas del rotor giren tan rápido que estarán completamente dentro de un flujo supersónico. Mantener las palas de los helicópteros dentro de un flujo subsónico es un factor limitante para las velocidades de los helicópteros aquí en la Tierra. ¿Cómo se vería afectada la sustentación del rotor si estuviera completamente detrás de una onda de choque? En la Tierra, la mayoría de las alas subsónicas colocadas en tales condiciones simplemente se paran. Además, debido a que la atmósfera de Marte es tan fría, la velocidad del sonido local debería ser bastante baja, por lo que es mejor diseñar un rotor para Marte para que funcione dentro de regímenes transónicos y supersónicos. Un buen ejemplo de este problema: el avión espía U2 (no un helicóptero) en su altitud más alta estaba en los límites combinados de no volar lo suficientemente rápido para generar suficiente sustentación (en la atmósfera),

Sí. Ingenuity ha demostrado esta capacidad a través de varios vuelos de prueba. Este fue en realidad el objetivo principal de la misión, como afirma la NASA .