Att bygga ett flygande fordon för Mars skulle ha betydande fördelar för utforskning av ytan. Det är bara 1,6% av jordens lufttäthet vid havsnivån, ge eller ta. Detta innebär att konventionella flygplan måste flyga mycket snabbt på Mars för att hålla sig högt. Din genomsnittliga Cessna skulle vara i problem.
Men naturen kan ge ett alternativt sätt att titta på detta problem.
Fluidregimen för alla flygande (eller simande) djur, maskiner etc. kan sammanfattas med något som kallas Reynolds Number (Re). Re är lika med den karakteristiska längden x hastighet x fluidtäthet dividerad med den dynamiska viskositeten. Det är ett mått på förhållandet mellan tröghetskrafter och viskösa. Ditt genomsnittliga flygplan flyger vid en hög Re: massor av tröghet relativt luftklibbighet. Eftersom Mars lufttäthet är låg är det enda sättet att få den trögheten att gå riktigt snabbt. Men inte alla flygblad fungerar vid högre Re: de flesta flygande djur flyger på mycket lägre Re. Insekter verkar i synnerhet på ganska små Reynolds-tal (relativt sett). Faktum är att vissa insekter är så små att de simmar genom luften snarare än att flyga. Så om vi skalar upp en buggliknande kriter eller liten fågel bara lite, kan vi få något som kan röra sig i den Martiska atmosfären utan att behöva gå vansinnigt snabbt.
Vi behöver ett system med ekvationer för att begränsa vår lilla bot. Det visar sig att det inte är för tufft. Som en grov tillnärmning kan vi använda Colin Pennycuicks genomsnittliga flappfrekvensekvation. Baserat på flappfrekvensförväntningarna från Pennycuick (2008), varierar flappfrekvensen ungefär som kroppsmassa till 3/8-kraften, gravitationsaccelerationen till 1/2-kraften, spänningen till -23/24-kraften, vingområdet till -1 / 3 effekt och vätsketäthet till -3/8 effekt. Det är praktiskt, eftersom vi kan anpassa oss för att matcha Martian gravitation och lufttäthet. Men vi måste veta om vi kastar virvlar från vingarna på ett rimligt sätt. Tack och lov finns det ett känt förhållande, där också: Strouhal-numret. Str (i detta fall) är flappningsamplitud x flappfrekvens dividerat med hastighet. I kryssningsflygning visar det sig vara ganska begränsat.
Vår bot bör därför sluta med en Str mellan 0,2 och 0,4, medan vi matchar Pennycuick-ekvationen. Och slutligen måste vi få ett Reynolds-nummer i intervallet för ett stort levande flygande insekt (små insekter flyger i en konstig regim där mycket av framdrivningen är dragbaserad, så vi kommer att ignorera dem för närvarande). Hawkmoths är väl studerade, så vi har deras Re-sortiment för olika hastigheter. Beroende på hastighet varierar det från cirka 3 500 till cirka 15 000. Så någonstans i det bollparken kommer att göra.
Det finns några sätt att lösa systemet. Det eleganta sättet är att generera kurvorna och leta efter korsningspunkterna, men en snabb och enkel metod är att slå in den i ett matrisprogram och lösa iterativt. Jag kommer inte att ge alla möjliga alternativ, men här är en som fungerade ganska bra för att ge en idé:
Mass: 500 gram
Span: 1 meter
Wing Aspect Ratio: 8.0
Detta ger en Str på 0,31 (rätt på pengarna) och Re på 13 900 (anständigt) vid en lyftkoefficient på 0,5 (vilket är rimligt för kryssning). För att ge en uppfattning skulle denna bot ha ungefärliga fågelliknande proportioner (liknande en anka), om än lite på den lilla sidan (inte tuff med bra syntetiska material). Den skulle emellertid vippa genom en större båge med högre frekvens än en fågel här på jorden, så den skulle se lite ut som en gigantisk mal på avstånd till våra jordutbildade ögon. Som en extra bonus, eftersom denna bot flyger i en mothandlig Reynoldsregime, är det troligt att den kanske kan hoppa till de mycket höga lyftkoefficienterna för insekter under korta perioder med ostadig dynamik. Vid en CL på 4,0 (som har uppmättts för små fladdermöss och flygfångare, såväl som för några stora bin) är stallhastigheten endast 19,24 m / s. Max CL är mest användbar för landning och lansering. Så: kan vi lansera vår bot vid 19,24 m / s?
För skojs skull, låt oss anta att vår fågel- / buggbot också lanseras som ett djur. Djur tar inte fart som flygplan; de använder en ballistisk initiering genom att trycka från underlaget. Nu använder insekter och fåglar gånglemmar för detta, men fladdermöss (och antagligen pterosaurier) använder vingarna för att fungera som skjutsystem. Om vi fick våra botsvingar att vara värdefulla, kan vi använda samma motor för att starta som att flyga, och det visar sig att det inte krävs mycket tryck. Tack vare den låga Mars-tyngdkraften går även ett litet språng långt, och vingarna kan redan slå nära 19,24 m / s som det är. Så bara ett litet hopp gör det. Om vi känner oss snygga, kan vi lägga lite mer punch på det, och det kommer ut ur kratrar osv. Hur som helst, vår bot behöver bara vara cirka 4% så effektiv språngare som bra biologiska hoppare för att göra det upp till hastighet.
Dessa siffror är naturligtvis bara en grov illustration. Det finns många orsaker till att rymdprogram ännu inte har lanserat robotar av denna typ. Problem med installation, strömförsörjning och underhåll skulle göra dessa system mycket utmanande att använda effektivt, men det är kanske inte helt omöjligt. Kanske en dag kommer våra rovers att distribuera malbottar med andstorlekar för bättre rekognosering på andra världar.
