Thread by @EZ900

שרשור: המבנה הלא קונבנציונלי של להבי המסוק שנאסא שלחה למאדים

כדי להבין היטב את השרשור הזה רצוי ידע מוקדם
באירו/הידרודינמיקה, או מוכנות להתאמץ וללמוד. אני אפרסם בהמשך שרשור נוסף שמתאים יותר לקהל הרחב בנושא עתיד התעופה במאדים.

עוקבים עם ידע - אני אשמח אם תוסיפו ותעשירו את השרשור

הלחץ הברומטרי בנק' בה נמצאת ה Ingenuity במאדים הוא בערך 7 מיליבר (משתנה על פי מזג אוויר). בערך 0.7% מהלחץ על פני כדה"א

כח הגרביטציה שם הוא ~38% מזה מבכדה"א. ולכן יש שמשווים את הטיסה שם לטיסה בגובה של 27km-30km מפני כדה"א - גובה שבו הלחץ הברומטרי הוא בערך 18 מיליבר (תלוי מז"א).

לחץ אוויר נמוך מתחת ללהב יוצר כח עילוי חלש שמקשה על המראה
אבל הוא גם גורם לבעיה נוספת: זרימת אוויר דליל כל כך סביב הלהב היא בעלת מס' ריינולדס נמוך. כלומר, זרימת האוויר היא למינרית, גם מעל ללהב. זרם האוויר מעל הלהב לא מתנתק מהלהב, או מתנתק באיחור -וגם זה פוגע בעילוי ומגדיל את הגרר

היכולת להגדיל את כח העילוי על ידי סיבוב הרוטור במהירות גדולה יותר היא מוגבלת על ידי מהירות הקול באוויר - כי כאשר קצות הרוטור מגיעות למהירויות תת-קוליות (subsonic), אז נוצרות מערבולות שפוגעות בעילוי וגם מגדילות את הגרר (Compressibility effects).

דרך אגב, טמפ' אוויר נמוכה גורמת למהירות קול נמוכה יותר. למשל, בטמפ' של 90°C מתחת לאפס מהירות הקול היא קטנה ב 20% ממהירות הקול ב 20°C, וגם את זה לוקחים בחשבון כשמתכננים מסוק לטיסה במאדים.

איך מתמודדים עם הבעיות האלה?
1. מקבלים את העובדה שכח העילוי יהיה קטן, ומתכננים מסוק בעל משקל קטן מאוד בהתאם
2. משתמשים בצורת מעטפת לא קונבנציונלית שיותר מתאימה לזרימת אוויר עם מס' ריינולדס נמוך
3. רוטור קואקסיאלי שיוצר
Hover Out of Ground Effect
חזק יותר ולכן מתאים יותר למאדים

כדי להגיע למשקל נמוך במיוחד של המסוק, נאסא הקטינה מאוד גם את משקל הרוטורים עצמם, שבנויים מקרום דק של סיבי פחם על גבי קצף מוקשה.
אורך רוטור של ה Ingenuity הוא 1.2מ', אבל משקל זוג להבים הוא רק 112גרם ! להשוואה - שלדת אופני כביש מסיבי פחם נחשבת לקלה מאוד אם היא שוקלת 800 גרם.

אלא שרוטורים כל כך קלים הם גם פחות קשיחים (stifness) - ולכן יותר מועדים ל blade flapping ולסוגי עיוות אחרים של הרוטור, בפרט כשהרוטורים מתוכננים להסתובב במהירות שקרובה למהירות הקול בקצותיהם.

תוסיפו על כל זה את העובדה שכמו בכל מסוק, גם ב Ingenuity חלוקת המסה על פני הרוטור וצורתו צריכה להיות מעוצבת בצורה שתמנע תהודה עצמית של הרוטורים במצבים שונים ועל פני טווח מהירויות גדול של הרוטורים
(מהירות שונה => כח צנטריפוגלי שונה, וגם זה משפיע).

הניסיון לאזן בין כל השיקולים שהזכרתי למעלה הביא לעיצוב להב עם:
א. פרופיל רחב מאוד במרכזו. עם leading edge מכופף שאמור לתרום להפרדה של זרם האוויר מעל הלהב בשלב מוקדם יחסית.
שימו לב ליחס יוצא הדופן בין הרוחב הגדול של הלהב במרכזו לאורך הקצר שלו.

ב. עם עיצוב צורה קשיחה במטרה למנוע עיוותים / פיתול של הלהב במהלך הטיסה

ג. עם קצה (tip) רוטור צר יותר ובעל פרופיל קונבנציונלי יותר. לדעתי גם כי מהירות הסיבוב הגדולה של הרוטור - משמעה טווח גדול של מס' ריינולדס לאורך הרוטור (קטנים במרכז, גדולים יותר קרוב לקצה). וגם מהשיקולים האחרים

היכולת לדמות על פני כדה"א את הגרביטציה של מאדים היא מוגבלת מאוד. והיכולת לתכנן רוטור אופטימלי למאדים שלוקח בחשבון את כל הגורמים שהזכרתי בשרשור, בלי ניסוי שמדמה במדויק את תנאי מאדים היא מוגבלת.
על אחת כמה וכמה כשמדובר ברוטור בעל עיצוב חדשני שבנוי מחומרים לא רגילים.

הרוטור של Ingenuity רחוק מלהיות אופטימלי עבור מאדים.
הכוונה היא לאסוף נתונים מטיסות הניסוי במאדים, ואז על סמך הנתונים החדשים לבצע עוד סימולציות נאוויה-סטוקס כדי לתכנן טוב יותר את המסוק הבא שישלח.
בלי טיסות הניסוי של ה Ingenuity, לא יהיה אפשר לתכנן טוב את המסוק הבא.