Forscher des Ames Research Center der US-Raumfahrtbehörde (NASA) im Silicon Valley haben in Zusammenarbeit mit dem Imperial College London in Großbritannien und der japanischen Nagoya-Universität ein neues experimentelles Design für Mars-Hubschrauber-Rotorblätter mit dem Code roamx-0201 vorgestellt. Diese Innovation zielt darauf ab, die komplexen aerodynamischen Hindernisse der dünnen Marsatmosphäre zu überwinden und zukünftige Erkundungsfahrzeuge in die Lage zu versetzen, über Entfernungen und Zeitspannen zu fliegen, die bisherige Missionen bei Weitem übertreffen.
Ein Sprung bei der Flugreichweite im Vergleich zur „Ingenuity“-Raumsonde
Der Hubschrauber „Ingenuity“ erzielte eine historische Leistung als erstes angetriebenes Fluggerät, das im Himmel eines anderen Planeten flog, doch die maximale Flugreichweite, die er auf einem einzigen Flug erreichte, betrug nicht mehr als 0,7 Kilometer. Die NASA bereitet den Start der Mission „SkyFall“ vor, die für das Jahr 2028 geplant ist und auf drei weiterentwickelte Hubschrauber setzen wird, die auf den gewohnten aerodynamischen Konzepten der gebogenen Ingenuity-Rotorblätter basieren.
Das neue Design roamx-0201 hingegen legt den Grundstein für die nächste Generation von Hubschraubern für die Zeit nach der „SkyFall“-Mission; fortgeschrittene Computersimulationen und Windkanaltests haben gezeigt, dass dieses aerodynamische Profil (Airfoil) es zukünftigen Hubschraubern ermöglichen wird, eine Strecke von bis zu 18,7 Kilometern in einem einzigen durchgehenden Flug zurückzulegen, während gleichzeitig die Fähigkeit erhalten bleibt, fortschrittliche Ausrüstung und wissenschaftliche Geräte an Bord zu transportieren, so ein in der Fachzeitschrift des American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) veröffentlichter Forschungsartikel.
Eine dynamische Innovation zur Bewältigung der schwierigen Mars-Physik
Das neue Design zeichnet sich durch eine im Vergleich zu herkömmlichen runden Blättern dünne, asymmetrische und extrem scharfe Struktur aus. Seine Überlegenheit beruht auf der Bewältigung von drei Hauptproblemen, die der Mars mit sich bringt:
- Verzögerung des Wellenwiderstandsanstiegs (Drag Divergence): Die Schallgeschwindigkeit in der Marsatmosphäre ist im Vergleich zur Erde geringer, was zu einem plötzlichen Einbruch der Leistung der Rotorblätter führt, wenn sich ihre Kanten dieser Geschwindigkeit nähern. Das neue Profil ermöglicht es, mit höheren Drehgeschwindigkeiten zu arbeiten, ohne diesen Einbruch zu erleiden.
- Ausnutzung von Luftturbulenzen zur Erzeugung von Auftrieb: Im Gegensatz zu herkömmlichen Designs erzeugt das neue Profil eine gezielte Störung in der Grenzschicht (Boundary Layer) an der Vorderkante des Blattes, wodurch eine dynamische Kraft entsteht, die das Blatt nach oben zieht und die Effizienz des vertikalen Auftriebs in der dünnen Luft erhöht.
- Verbesserung des Strömungsabriss-Widerstands (Stall): Die Tests zeigten eine überragende Fähigkeit zur Erholung und zur Wahrung der Stabilität bei sich ändernden Luftströmungswinkeln, was bei Ingenuity zu einem starken Leistungsabfall geführt hatte, wodurch zukünftige Fahrzeuge breitere Sicherheitsmargen für Manöver erhalten.
Was bedeutet diese Innovation für die Weltraumforschung?
Obwohl sich diese Rotorblätter noch in der Phase der technischen Tests befinden und noch nicht für den tatsächlichen Flug bereit sind, ebnet die Schließung der Lücke zwischen mathematischen Erwartungen und realer Leistung in Windkanälen den Weg für einen radikalen Wandel bei der Erforschung von Planeten. Diese beispiellose Reichweite wird es Wissenschaftlern ermöglichen, riesige geografische Gebiete der Marsoberfläche zu scannen, Daten aus unwegsamem Gelände zu sammeln, das für Rover nur schwer zugänglich ist, und in naher Zukunft weitaus schwerere Proben und wissenschaftliche Nutzlasten zu transportieren.