Frage:
Könnte ein Hubschrauber auf dem Mars fliegen?
Coomie
2016-07-13 10:50:39 UTC
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Hubschrauberdrohnen machen hier auf der Erde unglaublich viel Spaß, aber was ist, wenn ... wir eine zum Mars gebracht haben? Das klingt nach einer guten Frage für Randall Munroe. Aber ich habe über einen Vorschlag gelesen, eine Hubschrauberdrohne (MHS) mit Mars 2020 zum Mars zu schicken.

Mars Heli-drone

Die Marsatmosphäre macht einen Bruchteil eines Prozent der Erdatmosphäre aus (durchschnittlich 0,6% ASL). Meine Berechnungen ohne Manschette besagen, dass eine solche Drohne 200-mal stärker sein müsste als ihre erdgebundenen Cousins.

Ist dies ein realistischer Vorschlag?

Wie sind Sie zu dieser Zahl gekommen? Zwei Dinge: Wir können den Auftrieb erhöhen, indem wir die Rotorgröße erhöhen. Die Schwerkraft ist erheblich schwächer
Sie müssen nicht 200-mal mehr Leistung haben. Sie müssen viel schneller drehen und größere Rotorblätter haben, um Auftrieb zu erzeugen, aber Sie müssen dem Prozess nicht viel mehr Energie hinzufügen.
Ich empfehle [xkcd Was-wäre-wenn: Interplanetare Cessna] (https://what-if.xkcd.com/30/) für einen Crashkurs (kein Wortspiel beabsichtigt). Siehe auch NASAs [Vorläufige Forschung Aerodynamisches Design zur Landung auf dem Mars oder Prandtl-m] (https://www.nasa.gov/centers/armstrong/features/mars_airplane.html) (ja, so heißt es wirklich).
Sie haben Tests durchgeführt, die beweisen, dass ein kleiner drohnenartiger Hubschrauber (mit einem Durchmesser von etwa 1 Meter) in der dünnen Marsatmosphäre starten und fliegen kann.
Das Erhöhen der Rotorgröße funktioniert nur bis zu einem Punkt. Wenn Sie den Durchmesser ausreichend erhöhen, werden Ihre Rotorspitzen überschallt, was beim Anheben nicht hilft.
@Hobbes: macht es nichts aus, die Dicke zur Mitte hin zu erhöhen oder sich selbst zu zerreißen. Sie können die Klingenbreite jedoch relativ harmlos etwas erhöhen.
Mit größer meinte ich eine breitere Form, nicht unbedingt länger @Hobbes. Die Länge ist ohnehin ein Problem beim Verstauen.
@aCVn Liebe die Akronyme der NASA :)
Fünf antworten:
#1
+34
Mark Adler
2016-07-13 20:36:23 UTC
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Es gibt nichts Schöneres, als es in einer Kammer mit Mars-Dichte fliegen zu sehen, um Ihre Frage zu beantworten:

Verrückte Technik: Mars-Hubschrauber

Ich habe wirklich eine schönes Video davon im kontrollierten Flug in der Kammer, aber ich kann das noch nicht in den Interwebs finden.

Update zwei Jahre später:

Vielen Dank an SF für diesen Link zu einem schönen Video.

#2
+27
SF.
2016-07-13 13:32:39 UTC
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Die Schwerkraft macht etwa ein Drittel der Erdflug- und wettbewerbsfähigen Aerobation-Hubschraubermodelle aus und weist einen wirklich übermäßigen Leistungsüberschuss auf. Schauen Sie sich dies an.

Es wird keinen bemannten Hubschrauberflug geben. Die Leistung des Hubschraubers skaliert schlecht mit der Größe - es gibt einen Grund, warum wir keine VTOL Jumbo Jets haben. Aber das gleiche Problem beim Hochskalieren ist unser Freund beim Herunterskalieren. Ein 6 kg schwerer Hubschrauber kann 30 kg Nutzlast heben, sodass wir auf der Erde ein Äquivalent von TWR = 6 haben.

Luftwiderstand und Auftrieb sind beide identisch (quadratisch) proportional zur Fluggeschwindigkeit, sodass der gleiche Auftriebsverlust zum Verlust der primären Begrenzungskraft des Hubschraubers führt - Luftwiderstand an den Blättern. Was bleibt, sind mechanische Verluste (Reibung der Lager) und mechanische Haltbarkeit der Konstruktion, aber diese können mit viel Überschuss gebaut werden - und größere Rotorblätter gleichen die Notwendigkeit extremer Drehzahlen aus.

Natürlich müssen andere Dinge berücksichtigt werden. Diese Flüge werden eher wie "Hopfen" sein - ein kurzer Flugabschnitt, gefolgt von einer langen Ladezeit. Und die Drohne muss klein sein - und das bedeutet nicht viel wissenschaftliche Ausrüstung. Leider bedeutet dies auch, dass es nicht vollständig autonom sein wird, da einfach nicht genug Platz für ein gutes Radio und eine Antenne vorhanden ist, um die Erde oder sogar die Satelliten zu erreichen. Aber es könnte definitiv als "Aufklärungsfahrzeug" für einen großen Rover dienen, kleine Proben holen, die Festigkeit der Bodenoberfläche zum Überfahren testen und die beste Route planen.

Sie müssen in Ihrer Antwort den Faktor 100 atmosphärischer Dichteunterschied berücksichtigen, der die gestellte Frage ist. Um den gleichen Auftrieb zu erhalten, müssen sich die Tragflächen zehnmal so schnell bewegen.
@Mark:, das ich aufgrund des reduzierten Luftwiderstands kann - gleiches Drehmoment durch Luftwiderstand. Unabhängig von Geschwindigkeit und Druck bleibt das Verhältnis von Drehmoment zu Hub gleich. (abzüglich anderer Widerstände, für die der Leistungsüberschuss sorgt, und zuzüglich geringerer Auftriebsanforderungen aufgrund der geringen Schwerkraft.) Der Luftwiderstand steigt nicht an. andere Reibungen nehmen um den Faktor ~ 60 zu (x200 Dichte / 3 Schwerkraft), aber ich glaube, sie machen weniger als 10% der ursprünglichen Verluste aus, sodass der 6-fache Leistungsüberschuss ausreicht, um sie zu überwinden.
Nein, der Luftwiderstand steigt an, wobei der dimensionslose Luftwiderstandsbeiwert dramatisch ansteigt, wenn Sie sich Mach 1 nähern, beginnend bei Mach 0,6. Es lässt sich also nicht so gut auf eine niedrige Dichte skalieren, wie Sie behaupten.
@MarkAdler: Welche Reihenfolge der Erhöhung können wir mit den dafür vorgesehenen Klingen erwarten?
Dies hängt stark von den Details des Flügels und den anderen Einschränkungen ab, die Sie haben. Könnte ein Faktor von 3 sein, könnte ein Faktor von 10 sein. Ein Beispiel finden Sie unter https://mhmaberry.files.wordpress.com/2014/04/2.jpg. Dieser plötzliche Anstieg des Luftwiderstands ist der Grund, warum es eine "Schallmauer" gibt, da der Luftwiderstand oberhalb von Mach 1 wieder abfällt. Das allgemeine Bild der Situation finden Sie hier: http://history.nasa.gov/SP-367/f86 .htm
-1
Die Skalierung funktioniert auf Papier, wenn Sie über die Schwerkraft sprechen. Wie wirkt sich dies jedoch auf die Manövrierfähigkeit aus?
@duaneellen: Die Notwendigkeit eines Betriebs um die maximale Motorleistung aufgrund des Fehlens des 6-fachen Leistungsüberschusses sowie der schlechten atmosphärischen Dichte wird die Manövrierfähigkeit definitiv nachteilig beeinflussen. OTOH Die Manövrierfähigkeit von Aerobation-Hubschraubermodellen ist einfach verrückt - so dass selbst ein massiver Rückgang die Leistung auf einem * zufriedenstellenden * Niveau belässt.
#3
+6
Arturo
2017-11-14 08:59:14 UTC
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Sie können die erforderliche Schwebekraft außerhalb des Bodeneffekts mithilfe der folgenden Formeln berechnen:

Bei m, der Masse des Hubschraubers, beträgt die erforderliche Auftriebskraft $ L = g_ {mars} * m $ span>

Die erforderliche Wellenleistung beträgt:

$ Leistung (Watt) = (L ^ {3/2} / R * \ sqrt {(2 / (\ pi * Dichte))}) / FM $ span>

wobei $ R $ span> ist der Rotordurchmesser und FM ist die" Verdienstzahl ". Für einen kleinen Hubschrauber ist die FM kleiner als 0,66, beispielsweise 0,55.

Die Dichte in geringer Höhe auf dem Mars beträgt 0,0152 kg / m ^ 3

Die Gravitationsbeschleunigung $ g_ {mars} $ span> ist 3,8 m / s ^ 2.

Beispiel

  • mass = 2 kg Hub = 7,6 Newton FM = 0,55 Rotordurchmesser = 1 Meter Dichte = 0,0152 kg / m 3
  • pi = 3,1416
  • Das Ergebnis ist 264 Watt.

    Die Tatsache, dass die gegenläufigen Rotoren koaxial sind, verringert die Schwebeleistung nicht wesentlich. Der effektive Durchmesser ist nahezu gleich. Beachten Sie, dass bei einer Reduzierung der Masse auf 1 kg die erforderliche Leistung nur 87 Watt beträgt!

    Zusammenfassend: Die erforderliche Leistung ist proportional zu (Hub zum 3/2 Leistungsexponenten), umgekehrt proportional zum Rotordurchmesser und umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Dichte.

    Wenn Sie vorwärts fliegen, anstatt zu schweben, sinkt die erforderliche Leistung für einen gut geformten, stromlinienförmigen Rumpf erheblich. 1929 entwickelte Glauert eine ungefähre Formel (die Lösung eines Quarzes), die bis heute verwendet wird. Ein gutes Nachschlagewerk ist: B W McCormick: Aerodynamik des V / STOL-Fluges

    Bitte [bearbeiten] Sie Ihre Antwort und tun Sie etwas gegen die [Textwand] (http://uncyclopedia.wikia.com/wiki/Wall_of_Text)
    #4
    +1
    Stephan Jaure
    2018-01-24 04:53:08 UTC
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    Ich habe keine Einwände gegen Marks Antwort, aber ich bin besorgt darüber, dass sich die Rotorblätter so schnell drehen, dass sie sich vollständig in einem Überschallstrom befinden. Die Aufrechterhaltung der Hubschrauberblätter innerhalb eines Unterschallstroms ist ein begrenzender Faktor für die Hubschraubergeschwindigkeit hier auf der Erde. Wie würde sich der Hub des Rotors auswirken, wenn er sich vollständig hinter einer Stoßwelle befindet? Auf der Erde bleiben die meisten Unterschallflügel, die unter solchen Bedingungen platziert werden, einfach stehen. Auch weil die Marsatmosphäre so kalt ist, sollte die lokale Schallgeschwindigkeit ziemlich niedrig sein, daher sollte ein Rotor für den Mars besser für transsonische und Überschallregime ausgelegt sein. Ein gutes Beispiel für dieses Problem: Das U2-Spionageflugzeug (kein Hubschrauber) befand sich in seiner höchsten Höhe an den kombinierten Grenzen, nicht schnell genug zu fliegen, um genügend Auftrieb zu erzeugen (in der Atmosphäre), oder zu schnell zu fliegen und Überschall zu fliegen (niedrig) lokale Schallgeschwindigkeit), was für den Flugzeugtyp nicht gut war.

    Dies nennt man die "Sargecke". Siehe https://en.wikipedia.org/wiki/Coffin_corner_(aerodynamics).
    Mit dem richtigen Schaufelblatt kann ein Rotor mit Überschallgeschwindigkeit arbeiten. Der Grund, warum dies auf der Erde nicht gemacht wird, ist das enorme Geräusch, das von Überschallpropellern erzeugt wird.
    #5
    -3
    jyothi raju
    2017-09-24 17:28:54 UTC
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    mars hat eine dünne Atmosphäre, so dass bei Rotation der Blätter weniger Auswirkungen auf den Boden auftreten, sodass wir mindestens 250 Meilen pro Stunde zum Heben oder Starten benötigen, sodass es unmöglich ist, auch auf felsigem Boden zu landen



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