Å bygge et flyvende kjøretøy for Mars ville ha betydelige fordeler for utforskning av overflaten. Det er bare 1,6% av jordens lufttetthet ved havnivå, gi eller ta. Dette betyr at konvensjonelle fly måtte fly veldig raskt på Mars for å holde seg høye. Din gjennomsnittlige Cessna ville være i trøbbel.
Men naturen kan være en alternativ måte å se på dette problemet.
Væskeregimet til ethvert flyvende (eller svømmende) dyr, maskin osv. Kan oppsummeres av noe som heter Reynolds Number (Re). Re er lik den karakteristiske lengden x hastighet x væsketetthet, delt på den dynamiske viskositeten. Det er et mål på forholdet mellom treghetskrefter og tyktflytende. Det gjennomsnittlige flyet ditt flyr med en høy Re: mye treghet i forhold til luftheftigheten. Fordi Mars lufttetthet er lav, er den eneste måten å få den tregheten å gå veldig fort. Imidlertid er det ikke alle flygeblad som opererer ved høy Re: de fleste flygende dyr flyr på mye lavere Re. Spesielt insekter opererer i ganske små Reynolds-tall (relativt sett). Faktisk er noen insekter så små at de svømmer gjennom luften, i stedet for å fly. Så hvis vi skalerer opp en bugliknende kriter eller liten fugl bare litt, kan vi få noe som kan bevege seg i den Martiske atmosfæren uten å måtte gå sinnsykt fort.
Vi trenger et system med ligninger for å begrense vår lille bot. Det viser seg at det ikke er for tøft. Som en grov tilnærming kan vi bruke Colin Pennycuicks gjennomsnittlige flappingfrekvensligning. Basert på forventningene om klafffrekvens fra Pennycuick (2008), varierer klafffrekvens omtrent som kroppsmasse til 3/8 kraften, gravitasjonsakselerasjonen til 1/2 kraft, spennet til -23/24 kraften, vingearealet til -1 / 3 effekt, og væsketetthet til -3/8 strøm. Det er nyttig, fordi vi kan tilpasse oss til å matche Mars-tyngdekraft og lufttetthet. Men vi må vite om vi kaster virvler fra vingene på en rimelig måte. Heldigvis er det et kjent forhold, også der: Strouhal-nummeret. Str (i dette tilfellet) er klaffamplitude x klafffrekvens delt på hastighet. I cruisefly viser det seg å være ganske begrenset.
Boten vår bør derfor ende opp med en Str mellom 0,2 og 0,4, mens den matcher Pennycuick-ligningen. Og så må vi endelig få et Reynolds-tall i området for et stort levende flygende insekt (bittesmå insekter flyr i et underlig regime der mye av fremdriften er driftsbasert, så vi vil ignorere dem for nå). Hawkmoths er godt studert, så vi har Re-området for en rekke hastigheter. Avhengig av hastighet, varierer det fra omtrent 3.500 til omtrent 15.000. Så et sted i den ballparken vil gjøre.
Det er noen måter å løse systemet på. Den elegante måten er å generere kurvene og se etter kryssingspunktene, men en rask og enkel metode er å punge den inn i et matrise-program og løse iterativt. Jeg vil ikke gi alle mulige alternativer, men her er det en som har fungert ganske bra for å gi en ide:
Masse: 500 gram
Span: 1 meter
Wing Aspect Ratio: 8.0
Dette gir en Str på 0,31 (rett på pengene) og Re på 13 900 (anstendig) med en heiskoeffisient på 0,5 (som er rimelig for cruising). For å gi en ide, ville denne boten ha omtrent fuglelignende proporsjoner (ligner en and), om enn litt på den lette siden (ikke tøff med gode syntetiske materialer). Den vil imidlertid bla gjennom en større bue med høyere frekvens enn en fugl her på jorden, så den ville se litt ut som en gigantisk møll på avstand til våre jordtrente øyne. Som en ekstra bonus, fordi denne bot flyr i en møll-Reynolds-regimet, er det sannsynlig at det kan være i stand til å hoppe til de svært høye løftekoeffisientene for insekter i korte perioder ved å bruke ustabil dynamikk. Ved en CL på 4,0 (som er målt for små flaggermus og fluesnekker, samt noen store bier), er båshastigheten bare 19,24 m / s. Max CL er mest nyttig for landing og sjøsetting. Så: kan vi lansere bot på 19,24 m / s?
For moro skyld, la oss anta at vår fugl / bug bug også lanseres som et dyr. Dyr tar ikke av som fly; de bruker en ballistisk initiering ved å skyve fra underlaget. Nå bruker insekter og fugler gående lemmer for dette, men flaggermus (og sannsynligvis pterosaurer) bruker vingene til å doble som skyvesystemer. Hvis vi fikk botsvingene til å være verdig, kan vi bruke den samme motoren til å starte som å fly, og det viser seg at det ikke er behov for mye dytt. Takket være den lave tyngdekraften fra Mars går til og med et lite hopp langt, og vingene kan allerede slå nær 19,24 m / s som det er. Så bare et lite hopp vil gjøre det. Hvis vi føler oss fancy, kan vi legge litt mer trøkk på det, og det vil komme ut av kratere osv. Uansett trenger boten vår bare være omtrent 4% så effektiv sprang som gode biologiske hoppere å lage det opp til fart.
Disse tallene er selvfølgelig bare en grov illustrasjon. Det er mange grunner til at romprogrammer ennå ikke har lansert roboter av denne typen. Problemer med distribusjon, strømforsyning og vedlikehold vil gjøre disse systemene svært utfordrende å bruke effektivt, men det er kanskje ikke helt umulig. Kanskje en dag vil våre elever distribuere møllbots av andestørrelser for bedre rekognosering på andre verdener.
