Коли лопаті ротора вертольота наближаються до швидкості звуку, ситуація може стати небезпечною. При швидкостях вище приблизно Mach 0.8 виникають ударні хвилі, опір, нестабільний потік і турбулентність, які створюють значні навантаження, що не виникають на нижчих швидкостях.

На Землі цю проблему можна вирішити за допомогою ретельних тестувань і розумного інженерного підходу. Але проектування апарату, який може працювати в чужих аеродинамічних умовах Марса, є зовсім іншим завданням.

Вертоліт Ingenuity, що працював на Марсі, функціонував виключно в підзвуковому режимі, нижче приблизно Mach 0.7, щоб уникнути можливих аеродинамічних сюрпризів під час першого польоту людини на іншій планеті.

Новий вертоліт для Марса, що розробляється в рамках проекту SkyFall, має намір досягти більшого. У симульованій атмосфері Марса інженери NASA розігнали ротори до Mach 1.08, що значно розширює можливості наступного вертольота.

"Успішне тестування цих роторів стало важливим кроком до підтвердження можливості польоту в більш вимогливих умовах, що є ключовим для наступних транспортних засобів", - говорить аеродинаміст Шанна Уїтроу-Мейсер з Центру космічних польотів NASA в Силіконовій долині.

"Ми думали, що нам пощастить досягти Mach 1.05, а ми досягли Mach 1.08 під час останніх тестів. Ми все ще аналізуємо дані, і, можливо, є ще більше можливостей для підвищення тяги. Ці нові вертольоти будуть вражаючими".

Хоча Земля і Марс мають багато спільного, навіть незначні відмінності в атмосферних властивостях можуть змінити спосіб роботи літака. І ці відмінності не є незначними: атмосфера Марса надзвичайно розріджена, всього 1-2% від густини атмосфери Землі.

Ingenuity, який прибув на Марс разом з ровером Perseverance у січні 2021 року, став сміливим експериментом, щоб перевірити, чи можливий політ на червоній планеті, а також зібрати дані про продуктивність польоту, які можуть бути корисними для майбутнього дизайну вертольотів.

Спочатку планувалося, що він здійснить лише п'ять польотів. Але він здійснив 72 польоти, перш ніж розбився у 2024 році, не через конструкцію, а через те, що не зміг оцінити відстань до поверхні під час спуску.

Відносно консервативний дизайн місії був важливим, оскільки дав інженерам Землі детальне розуміння аеродинаміки Марса, яке можна врахувати в нових літаках. Ingenuity пройшов, щоб SkyFall міг бігти.

"Якщо б Чак Єгер був тут, він би сказав, що навколо Mach 1 може бути небезпечно", - говорить інженер Яакко Каррас з Лабораторії реактивного руху NASA.

"З урахуванням цього, ми спланували польоти Ingenuity так, щоб кінці лопатей ротора залишалися на Mach 0.7 без вітру, щоб, якщо ми зіткнемося з марсіанським зустрічним вітром під час польоту, кінці лопатей не стали супозвуковими.

"Але ми хочемо більше продуктивності від наших наступних марсіанських літальних апаратів. Нам потрібно було знати, що наші ротори можуть працювати швидше безпечно".

Оскільки атмосфера Марса набагато розрідженіша, ніж на Землі, звуковий бар'єр, відомий як Mach 1, знаходиться на значно нижчій швидкості - близько 869 км/год (540 миль/год), порівняно з 1,225 км/год (761 миль/год) на рівні моря на Землі.

Щоб протестувати свої конструкції роторів, JPL має спеціальну камеру, в якій тиск повітря знижений, щоб імітувати атмосферні умови Марса. Вона також посилена, щоб, якщо лопата зламається, вона не вилетіла по лабораторії і не застрягла в чомусь важливому.

У цій камері команда протестувала два дизайни роторів - один з трьома лопатями і один з двома - спостерігаючи з сусідньої контрольної кімнати.

Лопаті трилопатевого дизайну оберталися до 3,750 об/хв, що означає, що кінці досягли швидкості Mach 0.98.

Дволопатевий ротор, з довшими лопатями, лише потребував досягти швидкості близько 3,570 об/хв, щоб досягти тієї ж швидкості Mach 0.98. Для порівняння, лопаті ротора Ingenuity ніколи не перевищували 2,700 об/хв.

Вентилятор всередині камери був увімкнений, надуваючи ротору зустрічні вітри. Врешті-решт, кінці роторів досягли максимальної швидкості Mach 1.08.

Це значно збільшує підйом на близько 30%, що дозволить наступному вертольоту нести важчі вантажі, ніж Ingenuity. Це означає, що на борту можна буде розмістити більше наукових інструментів.

Якщо все піде за планом, місія SkyFall запуститься наприкінці 2028 року, несячи на борту три вертольоти. Ці вертольоти допоможуть досліджувати місця для висадки людей і картографувати водяний лід під поверхнею Марса.