Zbudowanie latającego pojazdu na Marsie miałoby znaczące zalety w eksploracji powierzchni. To tylko 1,6% gęstości powietrza Ziemi na poziomie morza, daj lub weź. Oznacza to, że konwencjonalne samoloty musiałyby latać bardzo szybko na Marsie, aby pozostać w powietrzu. Twoja przeciętna Cessna miałaby kłopoty.
Ale natura może stanowić alternatywny sposób spojrzenia na ten problem.
Reżim płynów każdego latającego (lub pływającego) zwierzęcia, maszyny itp. Można podsumować za pomocą czegoś zwanego liczbą Reynoldsa (Re). Re jest równy charakterystycznej długości x prędkości x gęstości płynu podzielonej przez lepkość dynamiczną. Jest to miara stosunku sił bezwładności do lepkich. Przeciętny samolot leci z dużą Re: dużo bezwładności w stosunku do lepkości powietrza. Ponieważ gęstość powietrza na Marsie jest niska, jedynym sposobem na uzyskanie tej bezwładności jest naprawdę szybkie. Jednak nie wszystkie ulotki działają z wysoką Re: większość latających zwierząt lata z dużo niższą Re. W szczególności owady działają przy dość małych liczbach Reynoldsa (mówiąc względnie). W rzeczywistości niektóre owady są tak małe, że pływają w powietrzu, a nie latają. Tak więc, jeśli pomniejszymy nieco stworka lub małego ptaka, możemy uzyskać coś, co może poruszać się w marsjańskiej atmosferze bez konieczności szybkiego szaleństwa.
Potrzebujemy układu równań, aby ograniczyć naszego małego bota. Okazuje się, że to nie jest zbyt trudne. Jako przybliżone przybliżenie możemy użyć równania średniej częstotliwości trzepotania Colina Pennycuicka. W oparciu o oczekiwania częstotliwości trzepotania z Pennycuick (2008), częstotliwość trzepotania różni się mniej więcej tak, jak masa ciała do mocy 3/8, przyspieszenie grawitacyjne do mocy 1/2, rozpiętość do mocy -23/24, powierzchnia skrzydła do -1 / 3 moc i gęstość płynu do mocy -3/8. Jest to przydatne, ponieważ możemy dopasować grawitację marsjańską i gęstość powietrza. Ale musimy wiedzieć, czy w rozsądny sposób zrzucamy wiry ze skrzydeł. Na szczęście istnieje również znany związek: liczba Strouhala. Str (w tym przypadku) to amplituda trzepotania x częstotliwość trzepotania podzielona przez prędkość. Podczas lotu przelotowego okazuje się, że jest dość ograniczony.
Nasz bot powinien zatem otrzymać Str między 0,2 a 0,4, przy jednoczesnym dopasowaniu równania Pennycuick. I w końcu musimy uzyskać liczbę Reynoldsa w zakresie dla dużego żywego latającego owada (małe owady latają w dziwnym trybie, w którym duża część napędu opiera się na oporze, więc na razie je zignorujemy). Hawkmoty są dobrze zbadane, więc mamy ich zasięg Re dla różnych prędkości. W zależności od prędkości wynosi od około 3500 do około 15 000. Więc gdzieś na tym boisku zrobi.
Istnieje kilka sposobów rozwiązania systemu. Elegancki sposób polega na generowaniu krzywych i szukaniu punktów przecięcia, ale szybką i łatwą metodą jest wbicie go do programu macierzowego i rozwiązanie iteracyjne. Nie podam wszystkich możliwych opcji, ale oto jedna, która całkiem dobrze działała, aby dać pomysł:
Masa: 500 gramów
Rozpiętość: 1 metr
Współczynnik kształtu skrzydła: 8,0
Daje to Str 0,31 (bezpośrednio na pieniądze) i Re 13,900 (przyzwoity) przy współczynniku podnoszenia wynoszącym 0,5 (co jest uzasadnione dla przelotu). Aby dać pomysł, ten bot miałby proporcje zbliżone do ptasiego (podobne do kaczki), choć nieco po lekkiej stronie (nie jest to trudne przy dobrych materiałach syntetycznych). Będzie jednak łopotał przez większy łuk z większą częstotliwością niż ptak tutaj na Ziemi, więc wyglądałby trochę jak gigantyczna ćma w oddali do naszych wyszkolonych na Ziemi oczu. Jako dodatkowy bonus, ponieważ ten bot leci w mimicznym reżimie Reynoldsa, prawdopodobne jest, że może on być w stanie skakać do bardzo wysokich współczynników unoszenia się owadów przez krótki czas przy niestabilnej dynamice. Przy CL równym 4,0 (który został zmierzony dla małych nietoperzy i muchołapów, a także niektórych dużych pszczół), prędkość przeciągnięcia wynosi tylko 19,24 m / s. Max CL jest najbardziej przydatny do lądowania i startu. Więc: czy możemy uruchomić naszego bota z prędkością 19,24 m / s?
Dla zabawy załóżmy, że nasz bot ptak / robak uruchamia się również jak zwierzę. Zwierzęta nie startują jak samoloty; używają inicjacji balistycznej poprzez wypychanie z podłoża. Teraz owady i ptaki używają do tego chodzących kończyn, ale nietoperze (i prawdopodobnie pterozaury) używają skrzydeł do podwojenia się jako systemy pchające. Jeśli sprawimy, że nasze boty są godne pchania, możemy użyć tego samego silnika do startu, jak do latania, i okazuje się, że nie jest wymagane zbyt duże pchnięcie. Dzięki niskiej grawitacji Marsa nawet niewielki skok przechodzi długą drogę, a skrzydła mogą już bić już w pobliżu 19,24 m / s. Więc wystarczy mały skok. Jeśli mamy ochotę, możemy nieco bardziej zadać cios, a to wydostanie się z kraterów itp. Tak czy inaczej, nasz bot musi być o około 4% tak wydajny i tańszy niż dobrzy skoczkowie biologiczni przyspieszyć.
Liczby te są oczywiście jedynie przybliżoną ilustracją. Istnieje wiele powodów, dla których programy kosmiczne nie uruchomiły jeszcze robotów tego typu. Problemy z wdrożeniem, zasilaniem i konserwacją sprawiłyby, że te systemy są bardzo trudne w efektywnym użyciu, ale może nie być całkowicie niemożliwe. Być może któregoś dnia nasze łaziki zastosują boty wielkości ćmy, aby lepiej rozpoznawać inne światy.
