Simulator helpt bij het ontwerpen van helikopters die op Mars kunnen vliegen

Een simulator gemaakt door onderzoekers van het Imperial College of London, UK, zou kunnen helpen bij het ontwerpen van rotorbladen voor de volgende generatie van Marshelikopters. NASA’s recente Ingenuity Mars Helicopter toonde aan dat vliegen op Mars technisch mogelijk is, dus ingenieurs zijn nu op zoek naar nieuwe manieren om nog betere helikopters te maken die verder en hoger kunnen vliegen met zwaardere ladingen, aldus het Imperial College of London in een persbericht.

Hoewel ze worden beschouwd als planetaire broers en zussen, zijn de atmosferen van de aarde en Mars radicaal verschillend. De atmosfeer van Mars is ongeveer 100 keer ijler dan die van de aarde. Dit stelt wetenschappers voor unieke uitdagingen bij het ontwerpen van helikopters die genoeg lift kunnen genereren om op te stijgen in “lucht” die minder dicht is met hogere windsnelheden.

Japanse windtunnel

Nu hebben ingenieurs van Imperial een virtuele windtunnelsimulator gemaakt die de atmosferische omstandigheden van Mars nabootst om de ontwerpen van helikopterbladen te testen. Door hun resultaten te vergelijken met die van de echte Mars-windtunnel in de Tohoku University in Japan, stelden ze vast dat hun simulaties de echte omstandigheden op Mars veel nauwkeuriger nabootsten dan eerder mogelijk was. “Onze simulator zal helpen om fundamenteel nieuwe wieken te ontwerpen die efficiënt zullen presteren op Mars,” zegt Lidia Carós Roca, Departement Luchtvaartkunde.

Lidia Carós Roca, hoofdauteur van het onderzoekspaper van de groep, vult aan: “De Martiaanse atmosfeer heeft een zeer lage dichtheid – de lucht is even dun als de aardatmosfeer op zeer grote hoogten. “Conventionele wieken hebben geprofiteerd van meer dan 100 jaar ervaring in luchtvaartontwerp. De lage dichtheid en lage geluidssnelheid op Mars zorgen echter voor een vluchtregime dat verschilt van dat op aarde, waardoor dergelijke schoepen inefficiënt zijn voor een vlucht op Mars. Onze simulator zal helpen om fundamenteel nieuwe wieken te ontwerpen die efficiënt zullen presteren op Mars.”

Ook interessant: Digitale windtunnel levert meer, sneller en goedkoper gegevens dan een echte

De atmosfeer op Mars is minder dicht dan op aarde, en de geluidssnelheid is trager. Deze ongewone combinatie betekent dat eenvoudige modelstrategieën geen nauwkeurige resultaten opleveren. In plaats daarvan gebruikte het Imperial-team hun eigen, intern ontwikkelde high-fidelity solver, PyFR genaamd, om de bewegingsvergelijkingen op Mars rechtstreeks te simuleren.

Ze voerden de simulaties uit op enkele van de grootste supercomputers ter wereld, waaronder Cirrus van het EPCC in Edinburgh en Piz Daint van het Swiss National Supercomputing Centre. Het Imperial-team maakte met name gebruik van grafische computerkaarten, die oorspronkelijk waren ontworpen voor gebruik in computerspellen, om dergelijke complexe simulaties mogelijk te maken. Eerdere pogingen om de experimenten aan de Tohoku-universiteit te simuleren waren minder succesvol wanneer de bladen onder een hoge invalshoek waren gemonteerd, d.w.z. de hoek tussen het blad en de aankomende stroming.

Martiaans

“Hoewel windtunnel-experimenten meestal als de gouden standaard worden beschouwd, zijn ze niet zonder problemen”, aldus Dr. Oliver Buxton, co-auteur van de studie. De bladen moeten bijvoorbeeld in de nabijheid van de tunnelwanden worden gemonteerd. Deze wanden bestaan gewoon niet voor een echt helikopterblad, maar toch kunnen ze de aard van de stroming over het blad in een windtunnel fundamenteel beïnvloeden en ons begrip van de prestaties van het blad beïnvloeden.”

Het onderzoeksteam verhoogde geleidelijk het realisme van hun simulaties en toonde aan dat alleen wanneer de volledige spanwijdte van het blad plus de windtunnelwanden volledig werden gesimuleerd, de resultaten in de buurt kwamen van de Tohoku-experimenten. Verder waren hun simulaties in staat om een belangrijke verandering in het gedrag van het blad met de invalshoek te voorspellen. Bij een bepaalde invalshoek verandert het liftmechanisme van het blad plotseling door de vorming van een grote draaikolk die de bovenkant van het blad aanzuigt, waardoor de lift toeneemt.

Medeauteur van de studie, professor Peter Vincent, verklaarde: “Onze simulaties hebben bewezen zeer accuraat te zijn in het voorspellen van de lift en de weerstand van deze Martiaanse helikopterbladen. Het feit dat we zelfs in staat zijn om deze grote en plotselinge veranderingen in de liftprestaties te voorspellen, geeft ons veel vertrouwen dat de instrumenten die we hebben ontwikkeld ons in staat zullen stellen om in de toekomst efficiëntere Martiaanse helikopterbladen te ontwerpen.”