Der Bau eines fliegenden Fahrzeugs für den Mars hätte erhebliche Vorteile für die Erkundung der Oberfläche. Es ist nur 1,6% der Erdluftdichte auf Meereshöhe, geben oder nehmen. Dies bedeutet, dass konventionelle Flugzeuge sehr schnell auf dem Mars fliegen müssten, um in der Luft zu bleiben. Ihre durchschnittliche Cessna wäre in Schwierigkeiten.
Die Natur bietet jedoch möglicherweise eine alternative Sichtweise auf dieses Problem.
Das Flüssigkeitsregime eines fliegenden (oder schwimmenden) Tieres, einer Maschine usw. kann durch die sogenannte Reynolds-Zahl (Re) zusammengefasst werden. Das Re ist gleich der charakteristischen Länge x Geschwindigkeit x Fluiddichte geteilt durch die dynamische Viskosität. Es ist ein Maß für das Verhältnis von Trägheitskräften zu viskosen. Ihr durchschnittliches Flugzeug fliegt mit einem hohen Re: viel Trägheit im Verhältnis zur Luftklebrigkeit. Da die Luftdichte des Mars niedrig ist, besteht die einzige Möglichkeit, diese Trägheit zu erreichen, darin, sehr schnell zu fahren. Allerdings arbeiten nicht alle Flyer mit hohem Re: Die meisten fliegenden Tiere fliegen mit viel niedrigerem Re. Insbesondere Insekten arbeiten mit relativ kleinen Reynolds-Zahlen (relativ gesehen). Tatsächlich sind einige Insekten so klein, dass sie eher durch die Luft schwimmen als fliegen. Wenn wir also ein käferähnliches Tier oder einen kleinen Vogel ein wenig vergrößern, erhalten wir möglicherweise etwas, das sich in der Marsatmosphäre bewegen kann, ohne wahnsinnig schnell gehen zu müssen.
Wir brauchen ein Gleichungssystem, um unseren kleinen Bot einzuschränken. Es stellt sich heraus, dass das nicht zu schwierig ist. Als grobe Annäherung können wir die durchschnittliche Schlagfrequenzgleichung von Colin Pennycuick verwenden. Basierend auf den Schlagfrequenzerwartungen von Pennycuick (2008) variiert die Schlagfrequenz ungefähr als Körpermasse zur 3/8 Kraft, Gravitationsbeschleunigung zur 1/2 Kraft, Spanne zur -23/24 Kraft, Flügelfläche zur -1 / 3 Leistung und Flüssigkeitsdichte auf -3/8 Leistung. Das ist praktisch, da wir uns an die Schwerkraft und Luftdichte des Mars anpassen können. Aber wir müssen wissen, ob wir auf vernünftige Weise Wirbel von den Flügeln abwerfen. Zum Glück gibt es auch dort eine bekannte Beziehung: die Strouhal-Nummer. Str (in diesem Fall) ist die Schlagamplitude x Schlagfrequenz geteilt durch die Geschwindigkeit. Im Reiseflug stellt sich heraus, dass es ziemlich eingeschränkt ist.
Unser Bot sollte daher einen Str zwischen 0,2 und 0,4 haben, während er mit der Pennycuick-Gleichung übereinstimmt. Und schließlich müssen wir eine Reynolds-Zahl im Bereich für ein großes lebendes fliegendes Insekt ermitteln (winzige Insekten fliegen in einem seltsamen Regime, in dem ein Großteil des Antriebs auf Luftwiderstand basiert, sodass wir sie vorerst ignorieren). Hawkmoths sind gut untersucht, daher haben wir ihre Re-Reichweite für eine Vielzahl von Geschwindigkeiten. Je nach Geschwindigkeit reicht es von ungefähr 3.500 bis ungefähr 15.000. Also irgendwo in diesem Stadion wird es reichen.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das System zu lösen. Die elegante Möglichkeit besteht darin, die Kurven zu generieren und nach den Schnittpunkten zu suchen. Eine schnelle und einfache Methode besteht jedoch darin, sie in ein Matrixprogramm zu stanzen und iterativ zu lösen. Ich werde nicht alle möglichen Optionen angeben, aber hier ist eine, die ziemlich gut funktioniert hat, um eine Idee zu geben:
Masse: 500 Gramm
Spannweite: 1 Meter
Flügelseitenverhältnis: 8,0
Dies ergibt eine Str von 0,31 (direkt am Geld) und eine Re von 13.900 (anständig) bei einem Auftriebskoeffizienten von 0,5 (was für Kreuzfahrten angemessen ist). Um eine Idee zu geben, dieser Bot hätte ungefähr vogelähnliche Proportionen (ähnlich einer Ente), wenn auch etwas leicht (nicht hart mit guten synthetischen Materialien). Es würde jedoch mit größerer Frequenz durch einen größeren Bogen flattern als ein Vogel hier auf der Erde, so dass es in der Entfernung zu unseren von der Erde trainierten Augen ein bisschen wie eine riesige Motte aussehen würde. Da dieser Bot in einem mottenhaften Reynolds-Regime fliegt, ist es als zusätzlicher Bonus plausibel, dass er mit instabiler Dynamik für kurze Zeit zu den sehr hohen Auftriebskoeffizienten von Insekten springen kann. Bei einem CL von 4,0 (gemessen für kleine Fledermäuse und Fliegenfänger sowie einige große Bienen) beträgt die Stallgeschwindigkeit nur 19,24 m / s. Max CL ist am nützlichsten für die Landung und den Start. Also: Können wir unseren Bot mit 19,24 m / s starten?
Nehmen wir zum Spaß an, unser Vogel- / Käferbot startet auch wie ein Tier. Tiere heben nicht wie Flugzeuge ab. Sie verwenden eine ballistische Initiierung, indem sie vom Substrat drücken. Jetzt verwenden Insekten und Vögel dafür gehende Gliedmaßen, aber Fledermäuse (und wahrscheinlich Flugsaurier) verwenden die Flügel, um als Schubsysteme zu fungieren. Wenn wir unsere Botsflügel schubwürdig gemacht haben, können wir zum Starten denselben Motor verwenden wie zum Fliegen, und es stellt sich heraus, dass nicht viel Druck erforderlich ist. Dank der geringen Schwerkraft des Mars reicht bereits ein kleiner Sprung aus, und die Flügel können bereits in der Nähe von 19,24 m / s schlagen. Also nur ein kleiner Sprung wird es tun. Wenn wir Lust haben, können wir etwas mehr Schlagkraft darauf ausüben, und das kommt aus Kratern usw. heraus. In jedem Fall muss unser Bot nur etwa 4% so effizient sein wie ein guter biologischer Springer es auf den neuesten Stand bringen.
Diese Zahlen sind natürlich nur eine grobe Illustration. Es gibt viele Gründe, warum Raumfahrtprogramme Roboter dieses Typs noch nicht gestartet haben. Probleme mit Bereitstellung, Stromversorgung und Wartung würden die effektive Verwendung dieser Systeme sehr schwierig machen, aber es ist möglicherweise nicht ganz unmöglich. Vielleicht werden unsere Rover eines Tages Mottenbots in Entengröße einsetzen, um andere Welten besser zu erkunden.
