Costruire un veicolo volante per Marte avrebbe notevoli vantaggi per l'esplorazione della superficie. È solo l'1,6% della densità dell'aria terrestre a livello del mare, dare o avere. Ciò significa che gli aerei convenzionali dovrebbero volare molto rapidamente su Marte per rimanere in alto. Il tuo Cessna medio sarebbe nei guai.
Ma la natura può fornire un modo alternativo di considerare questo problema.
Il regime fluido di qualsiasi animale volante, o nuotatore, macchina, ecc. Può essere riassunto da qualcosa chiamato Reynolds Number (Re). Il Re è uguale alla lunghezza caratteristica x velocità x densità del fluido, divisa per la viscosità dinamica. È una misura del rapporto tra forze inerziali e forze viscose. Il tuo aereo medio vola ad alta Re: molta inerzia relativa alla viscosità dell'aria. Poiché la densità dell'aria su Marte è bassa, l'unico modo per ottenere tale inerzia è andare molto velocemente. Tuttavia, non tutti i volantini operano ad alto Re: la maggior parte degli animali volanti vola a Re molto più basso. Gli insetti, in particolare, operano a numeri di Reynolds piuttosto piccoli (relativamente parlando). In effetti, alcuni insetti sono così piccoli che nuotano nell'aria, piuttosto che volare. Quindi, se aumentiamo un po 'di una creatura simile a un insetto o un uccellino, potremmo ottenere qualcosa che può muoversi nell'atmosfera marziana senza dover andare follemente veloce.
Abbiamo bisogno di un sistema di equazioni per limitare il nostro piccolo bot. Si scopre che non è troppo difficile. Come approssimazione approssimativa, possiamo usare l'equazione della frequenza media di sbattimento di Colin Pennycuick. In base alle aspettative di frequenza di sbattimento da Pennycuick (2008), la frequenza di sbattimento varia all'incirca come la massa corporea alla potenza 3/8, l'accelerazione gravitazionale alla potenza 1/2, si estende alla potenza -23/24, l'area dell'ala al -1 / 3 potenza e densità del fluido alla potenza di -3/8. È utile perché possiamo adattarci alla gravità marziana e alla densità dell'aria. Ma dobbiamo sapere se stiamo eliminando i vortici dalle ali in modo ragionevole. Per fortuna, lì c'è anche una relazione nota: il numero di Strouhal. Str (in questo caso) è ampiezza di sbattimento x frequenza di sbattimento divisa per la velocità. Nel volo di crociera, risulta essere piuttosto limitato.
Il nostro bot dovrebbe, quindi, finire con una Str tra 0,2 e 0,4, mentre corrisponde all'equazione di Pennycuick. E poi, finalmente, dobbiamo ottenere un numero di Reynolds nell'intervallo per un grande insetto volante vivo (piccoli insetti volano in uno strano regime in cui gran parte della propulsione è basata sulla resistenza, quindi per ora li ignoreremo). Gli Hawkmoth sono ben studiati, quindi abbiamo la loro gamma Re per una varietà di velocità. A seconda della velocità, varia da circa 3.500 a circa 15.000. Quindi da qualche parte in quel campo da baseball lo farà.
Esistono alcuni modi per risolvere il sistema. Il modo elegante è generare le curve e cercare i punti di intersezione, ma un metodo semplice e veloce è quello di punzonarlo in un programma a matrice e risolverlo iterativamente. Non darò tutte le opzioni possibili, ma eccone una che ha funzionato abbastanza bene per dare un'idea:
Massa: 500 grammi
Span: 1 metro
Proporzioni delle ali: 8.0
Questo dà una Str di 0,31 (giusto sul denaro) e Re di 13.900 (decente) con un coefficiente di portanza di 0,5 (che è ragionevole per la crociera). Per dare un'idea, questo robot avrebbe proporzioni approssimativamente simili a quelle di un uccello (simile a un'anatra), anche se un po 'leggero (non resistente con buoni materiali sintetici). Tuttavia, attraverserebbe un arco maggiore a una frequenza superiore rispetto a un uccello qui sulla Terra, quindi sembrerebbe un po 'come una falena gigante a distanza dai nostri occhi addestrati sulla Terra. Come bonus aggiuntivo, poiché questo robot vola in un regime di Reynolds falena, è plausibile che potrebbe essere in grado di saltare agli elevatissimi coefficienti di portanza degli insetti per brevi periodi usando una dinamica instabile. A un CL di 4.0 (che è stato misurato per piccoli pipistrelli e pigliamosche, nonché per alcune grandi api), la velocità di stallo è di soli 19,24 m / s. Max CL è molto utile per l'atterraggio e il lancio. Quindi: possiamo lanciare il nostro bot a 19,24 m / s?
Per divertimento, supponiamo che anche il nostro robot uccello / insetto si lanci come un animale. Gli animali non decollano come aeroplani; usano un'iniziazione balistica spingendo dal substrato. Ora, insetti e uccelli usano arti mobili per questo, ma i pipistrelli (e probabilmente gli pterosauri) usano le ali per raddoppiare come sistemi di spinta. Se abbiamo reso le nostre ali da robot degne di spinta, allora possiamo usare lo stesso motore per lanciare e volare, e si scopre che non è richiesta molta spinta. Grazie alla bassa gravità di Marte, anche un piccolo salto fa molto, e le ali possono già battere vicino a 19,24 m / s così com'è. Quindi solo un piccolo salto lo farà. Se ci sentiamo fantasiosi, possiamo mettere un po 'più di pugno su di esso, e questo uscirà dai crateri, ecc. Ad ogni modo, il nostro bot deve solo essere circa il 4% più efficiente di un saltatore come i buoni ponticelli biologici da realizzare fino a velocità.
Questi numeri, ovviamente, sono solo un'illustrazione approssimativa. Ci sono molte ragioni per cui i programmi spaziali non hanno ancora lanciato robot di questo tipo. Problemi con distribuzione, alimentazione e manutenzione renderebbero questi sistemi molto difficili da usare in modo efficace, ma potrebbe non essere del tutto impossibile. Forse un giorno i nostri rover schiereranno robot falene delle dimensioni di un'anatra per una migliore ricognizione su altri mondi.
