Bir helikopterin rotor kanatları ses hızına yaklaştığında, işler biraz daha karmaşık hale gelebilir. Yaklaşık Mach 0.8'in üzerinde şok dalgaları, sürüklenme, dengesiz akış ve türbülans, daha düşük hızlarda oluşmayan önemli gerilimlere yol açabilir.
Dünya'da bu, kapsamlı testler ve akıllı mühendislik ile çözülebilen bir sorundur. Ancak, Mars'ın kendine özgü aerodinamik koşullarında çalışabilen bir araç tasarlamak farklı bir meseledir.
Perseverance'ın Ingenuity helikopteri, insanlığın başka bir gezegendeki ilk motorlu hava aracı üzerindeki potansiyel olarak görevi sonlandırabilecek aerodinamik sürprizlerden kaçınmak amacıyla, Mach 0.7'nin altında, tamamen ses altı rejimde çalışmıştı.
Şu anda SkyFall projesi kapsamında geliştirilmekte olan yeni nesil Mars helikopteri ise daha cesur bir adım atıyor. Simüle edilmiş bir Mars atmosferinde, NASA mühendisleri rotorları Mach 1.08'e kadar iterek, bir sonraki helikopterin yeteneklerini önemli ölçüde genişletti.
NASA'nın Ames Araştırma Merkezi'nden aerodinamik uzmanı Shannah Withrow-Maser, "Bu rotorların başarılı bir şekilde test edilmesi, daha zorlu ortamlarda uçuşun fizibilitesini kanıtlamaya yönelik büyük bir adımdı ve bu, yeni nesil araçlar için anahtar niteliğindedir," dedi. "Mach 1.05'i yakalasak şanslı sayılacağımızı düşünmüştük ve son denemelerimizde Mach 1.08'e ulaştık. Verileri hala inceliyoruz ve masada daha fazla itiş gücü olabilir. Bu yeni nesil helikopterler harika olacak."
Dünya ve Mars birçok ortak noktaya sahip olsa da, atmosferik özelliklerdeki küçük farklılıklar bile bir hava aracının çalışma şeklini değiştirebilir. Ve bu farklılıklar azımsanmayacak kadar büyüktür: Mars atmosferi son derece incedir, Dünya'nınkinin sadece yüzde 1 ila 2'si kadar yoğundur.
Ocak 2021'de Perseverance keşif aracıyla birlikte Mars'a ulaşan Ingenuity, rotorla desteklenen uçuşun kızıl gezegende mümkün olup olmadığını test etmek ve gelecekteki helikopter tasarımlarına bilgi sağlayacak uçuş performansı verilerini toplamak için cesur bir deneydi.
Başlangıçta sadece beş uçuş yapması planlanmıştı. Ancak, 2024'te bir kazayla yere indiği için değil, iniş sırasında yerden olan mesafesini ölçemediği için, 72 uçuş gerçekleştirdi.
Görece muhafazakar görev tasarımı, Dünya'daki mühendislere yeni hava araçlarına entegre etmek için Mars aerodinamiği hakkında detaylı bir anlayış kazandırdı. Ingenuity yürüdü ki SkyFall koşabilsin.
NASA'nın Jet İtki Laboratuvarı'ndan (JPL) mühendis Jaakko Karras, "Eğer Chuck Yeager burada olsaydı, Mach 1 civarında işlerin biraz çalkantılı olabileceğini söylerdi," dedi. "Bunu akılda tutarak, Ingenuity'nin uçuşlarını rotor kanadı uçlarını Mach 0.7'de rüzgarsız tutacak şekilde planladık, böylece uçuş sırasında bir Mars karşı rüzgarıyla karşılaşsak bile rotor uçları ses üstü hızlara çıkmazdı."
"Ancak yeni nesil Mars araçlarımızdan daha fazla performans istiyoruz. Rotorlarımızın daha hızlı ve güvenli bir şekilde gidebileceğini bilmemiz gerekiyordu."
Mars atmosferi Dünya'nınkinden çok daha ince olduğu için, Mach 1 olarak bilinen ses bariyeri, Dünya'da deniz seviyesinde saatte yaklaşık 1.225 kilometreye (761 mil) kıyasla, çok daha düşük bir hızda, yani saatte yaklaşık 869 kilometrede (540 mil) bulunur.
Rotor tasarımlarını test etmek için JPL, hava basıncının Mars'ın atmosferik koşullarını simüle etmek üzere düşürüldüğü özel bir odaya sahip. Ayrıca, bir kanat koparsa, laboratuvarda bir yere saplanmasını önleyecek şekilde güçlendirilmiş.
Bu odada, ekip yakındaki bir kontrol odasından izlerken iki rotor tasarımı - biri üç kanatlı, diğeri iki kanatlı - üzerinde testler yaptı.
Üç kanatlı tasarımın rotorları 3.750 rpm'ye kadar döndü, bu da uçların Mach 0.98 hızlarına ulaştığı anlamına geliyordu. Daha uzun kanatlara sahip iki kanatlı rotor, aynı Mach 0.98 hızına ulaşmak için yaklaşık 3.570 rpm'lik bir hıza ihtiyaç duydu. Karşılaştırma yapmak gerekirse, Ingenuity'nin rotor kanatları hiçbir zaman 2.700 rpm'yi aşmadı.
Daha sonra odadaki bir fan çalıştırılarak rotorlara karşı rüzgarlar verildi. Sonuç olarak, rotor uçları Mach 1.08 gibi bir tepe hıza ulaştı.
Bu, kaldırma kuvvetini yaklaşık %30 oranında önemli ölçüde artırarak, bir sonraki helikopterin Ingenuity'den daha ağır yükleri taşımasına olanak tanıyacak. Bu da daha fazla bilimsel enstrümanın gemiye yüklenebileceği anlamına geliyor.
Her şey plana göre giderse, SkyFall görevi 2028'in sonlarında, beraberinde üç helikopterle birlikte Mars'a doğru fırlatılacak.
Bu helikopterler, insan iniş alanlarını keşfetmeye ve Mars yüzeyinin altındaki su buzunu haritalandırmaya yardımcı olacak.
