Het bouwen van een vliegend voertuig voor Mars zou aanzienlijke voordelen hebben bij het verkennen van het oppervlak. Het is slechts 1,6% van de luchtdichtheid van de aarde op zeeniveau, geven of nemen. Dit betekent dat conventionele vliegtuigen zeer snel op Mars moeten vliegen om boven te blijven. Je gemiddelde Cessna zou in de problemen komen.
Maar de natuur kan een alternatieve manier zijn om naar dit probleem te kijken.
Het vloeiende regime van elk vliegend (of zwemmend) dier, machine, etc. kan worden samengevat door iets dat het Reynoldsgetal (Re) wordt genoemd. De Re is gelijk aan de karakteristieke lengte x snelheid x vloeistofdichtheid, gedeeld door de dynamische viscositeit. Het is een maat voor de verhouding van traagheidskrachten tot viskeuze krachten. Uw gemiddelde vliegtuig vliegt op een hoge Re: veel traagheid ten opzichte van luchtkleverigheid. Omdat de luchtdichtheid van Mars laag is, is de enige manier om die traagheid te krijgen, heel snel te gaan. Echter, niet alle vliegers werken op hoge Re: de meeste vliegende dieren vliegen op veel lagere Re. Vooral insecten werken op relatief kleine Reynolds-nummers (relatief gesproken). Sommige insecten zijn zelfs zo klein dat ze door de lucht zwemmen in plaats van vliegen. Dus als we een bug-achtig beestje of een kleine vogel een klein beetje opschalen, krijgen we misschien iets dat in de atmosfeer van Mars kan bewegen zonder waanzinnig snel te hoeven gaan.
We hebben een systeem van vergelijkingen nodig om onze kleine bot te beperken. Blijkt dat het niet te moeilijk is. Als ruwe benadering kunnen we de gemiddelde vergelijking van de fladderende frequentie van Colin Pennycuick gebruiken. Gebaseerd op de fladderfrequentieverwachtingen van Pennycuick (2008), varieert de fladderfrequentie grofweg als lichaamsgewicht tot het 3/8 vermogen, zwaartekrachtversnelling tot het 1/2 vermogen, span tot het -23/24 vermogen, vleugelgebied tot de -1 / 3 vermogen en vloeistofdichtheid tot het -3/8 vermogen. Dat is handig, omdat we ons kunnen aanpassen aan de zwaartekracht en luchtdichtheid van Mars. Maar we moeten weten of we op een redelijke manier wervelingen van de vleugels afwerpen. Gelukkig is er ook een bekende relatie: het Strouhal-nummer. Str (in dit geval) is fladderende amplitude x fladderende frequentie gedeeld door snelheid. Tijdens een cruisevlucht blijkt het behoorlijk beperkt te zijn.
Onze bot moet daarom eindigen met een Str tussen 0,2 en 0,4, terwijl hij overeenkomt met de Pennycuick-vergelijking. En dan, eindelijk, we moeten een Reynolds-nummer in het bereik krijgen voor een groot levend vliegend insect (kleine insecten vliegen in een vreemd regime waar veel voortstuwing op drag is gebaseerd, dus we zullen ze voorlopig negeren). Hawkmoths zijn goed bestudeerd, dus we hebben hun Re-bereik voor verschillende snelheden. Afhankelijk van de snelheid varieert het van ongeveer 3.500 tot ongeveer 15.000. Dus ergens in die marge zal het doen.
Er zijn een paar manieren om het systeem op te lossen. De elegante manier is om de curven te genereren en de snijpunten te zoeken, maar een snelle en gemakkelijke methode is om het in een matrixprogramma te ponsen en iteratief op te lossen. Ik geef niet alle mogelijke opties, maar hier is er een die redelijk goed werkte om een idee te geven:
Gewicht: 500 gram
Spanwijdte: 1 meter
Vleugelverhouding: 8,0
Dit geeft een Str van 0,31 (recht op het geld) en Re van 13.900 (redelijk) bij een liftcoëfficiënt van 0,5 (wat redelijk is voor cruisen). Om een idee te geven, deze bot zou ongeveer vogelachtige proporties hebben (vergelijkbaar met een eend), zij het een beetje aan de lichte kant (niet stoer met goede synthetische materialen). Het zou echter met een hogere frequentie door een grotere boog klappen dan een vogel hier op aarde, dus het zou een beetje op een gigantische mot lijken op afstand van onze door de aarde getrainde ogen. Als een toegevoegde bonus, omdat deze bot in een mot-achtig Reynolds-regime vliegt, is het aannemelijk dat het mogelijk is om gedurende korte perioden met onstabiele dynamiek naar de zeer hoge liftcoëfficiënten van insecten te springen. Bij een CL van 4,0 (gemeten voor kleine vleermuizen en vliegenvangers, evenals enkele grote bijen) is de overtreksnelheid slechts 19,24 m / s. Max CL is het handigst voor landen en lanceren. Dus: kunnen we onze bot lanceren met 19,24 m / s?
Laten we voor de lol aannemen dat onze vogel / insectenbot ook als een dier wordt gelanceerd. Dieren stijgen niet op zoals vliegtuigen; ze gebruiken een ballistische initiatie door vanaf het substraat te duwen. Nu gebruiken insecten en vogels hiervoor ledematen, maar vleermuizen (en waarschijnlijk pterosauriërs) gebruiken de vleugels om als duwsysteem te fungeren. Als we onze botsvleugels push-waardig hebben gemaakt, kunnen we dezelfde motor gebruiken om te lanceren als om te vliegen, en het blijkt dat er niet veel push nodig is. Dankzij de lage zwaartekracht van Mars gaat zelfs een kleine sprong al een heel eind, en de vleugels kunnen al in de buurt van 19,24 m / s kloppen. Dus een beetje hop zal het doen. Als we zin hebben, kunnen we er wat meer punch op zetten, en dat komt uit kraters, enz. Hoe dan ook, onze bot hoeft slechts ongeveer 4% zo efficiënt te zijn als een goede sprong om goede biologische springers te maken het op snelheid.
Deze cijfers zijn natuurlijk slechts een ruwe illustratie. Er zijn veel redenen waarom ruimtevaartprogramma's nog geen robots van dit type hebben gelanceerd. Problemen met implementatie, stroomvoorziening en onderhoud zouden deze systemen zeer uitdagend maken om effectief te gebruiken, maar het is misschien niet helemaal onmogelijk. Misschien zullen onze rovers op een dag mottenbots ter grootte van een eend inzetten voor een betere verkenning van andere werelden.
