Een helikopter die bijna negentien kilometer over het oppervlak van Mars vliegt, zonder tussendoor te landen. Dat is het doel van een nieuw rotorbladontwerp waar NASA aan werkt. Met een opvallend dun en asymmetrisch profiel denken onderzoekers de prestaties van toekomstige Marshelikopters aanzienlijk te kunnen verbeteren. Simulaties wijzen op een vliegbereik dat ruim 25 keer groter kan zijn dan dat van de eerste Marshelikopter Ingenuity.
Ingenuity bewees in 2021 dat vliegen op Mars überhaupt mogelijk is. De kleine helikopter maakte uiteindelijk 72 vluchten en legde in totaal ongeveer zeventien kilometer af. De langste afzonderlijke vlucht bedroeg iets meer dan 700 meter.
NASA wil met een volgende generatie helikopters veel grotere afstanden overbruggen. Zulke toestellen zouden zelfstandig gebieden kunnen verkennen die voor rijdende Marsrovers moeilijk of helemaal niet bereikbaar zijn.
Vliegen in een bijna lege atmosfeer
Een helikopter bouwen voor Mars is een flinke technische uitdaging. De luchtdruk aan het oppervlak bedraagt slechts ongeveer één procent van die op aarde. Daardoor zijn er veel minder luchtmoleculen beschikbaar om met de rotorbladen voldoende draagkracht op te wekken. De bladen moeten daarom bijzonder snel draaien. Maar ook dat heeft grenzen. Wanneer de uiteinden de geluidssnelheid naderen, kan de luchtweerstand plotseling sterk toenemen. Op Mars ligt de geluidssnelheid bovendien lager dan op aarde, onder meer door de lage temperatuur en de samenstelling van de atmosfeer.
Onderzoekers van NASA’s Ames Research Center ontwikkelden daarom samen met Imperial College London en Japanse universiteiten een nieuw rotorbladprofiel, roamx-0201. Anders dan de relatief afgeronde bladen van Ingenuity heeft het nieuwe ontwerp een veel dunner en scherper profiel. De vorm werd met computermodellen geoptimaliseerd voor de bijzondere omstandigheden op Mars.
Turbulentie blijkt juist nuttig
Een opvallend onderdeel van het ontwerp is dat het bewust gebruikmaakt van een verstoring in de luchtstroming. Normaal proberen vliegtuigontwerpers zulke verstoringen zo veel mogelijk te beperken, omdat ze weerstand kunnen veroorzaken. Bij het nieuwe rotorblad ontstaat vlak achter de voorrand juist een gecontroleerde verstoring van de dunne luchtlaag die over het oppervlak stroomt. Onder de onderzochte omstandigheden levert dit extra draagkracht op.
Uit simulaties en windtunnelproeven blijkt dat het nieuwe profiel een 19 tot 43 procent betere verhouding tussen draagkracht en luchtweerstand kan bereiken dan het rotorbladprofiel van Ingenuity. De maximale draagkracht ligt volgens berekeningen ongeveer twintig procent hoger. Ook presteert het ontwerp beter wanneer de invalshoek van de luchtstroming ongunstig wordt. Bij traditionele rotorbladen kan de draagkracht dan plotseling sterk afnemen, een verschijnsel dat bekendstaat als overtrekken.
Van 700 meter naar bijna 19 kilometer
Op basis van uitgebreide computersimulaties schat NASA dat toekomstige Marshelikopters met het verbeterde ontwerp onder geschikte omstandigheden tot 18,7 kilometer per vlucht kunnen afleggen, terwijl ze wetenschappelijke instrumenten meenemen.
Dat betekent niet dat het nieuwe rotorblad al zulke afstanden heeft afgelegd. De resultaten komen uit berekeningen en experimenten in een windtunnel op aarde. De onderzoekers moeten nog aantonen dat de voordelen ook bij een complete helikopter onder uiteenlopende vluchtomstandigheden overeind blijven.
NASA onderzoekt ondertussen hoe grotere Marshelikopters meer instrumenten kunnen vervoeren. Met een groter vliegbereik zouden onderzoekers bijvoorbeeld afgelegen kraters, steile hellingen en andere moeilijk toegankelijke gebieden vanuit de lucht kunnen bestuderen.
