At opbygge et flyvende køretøj til Mars ville have betydelige fordele til efterforskning af overfladen. Det er kun 1,6% af Jordens lufttæthed ved havoverfladen, give eller tage. Dette betyder, at konventionelle fly bliver nødt til at flyve meget hurtigt på Mars for at forblive højt. Din gennemsnitlige Cessna ville være i problemer.
Men naturen kan give en alternativ måde at se på dette problem på.
Væskeregimet for ethvert flyvende (eller svømmende) dyr, maskine osv. Kan sammenfattes med noget kaldet Reynolds Number (Re). Re er lig med den karakteristiske længde x hastighed x fluidtæthed divideret med den dynamiske viskositet. Det er et mål for forholdet mellem treghedskræfter og tyktflydende. Din gennemsnitlige fly flyver ved en høj Re: masser af træghed i forhold til lufthæghed. Fordi Mars lufttæthed er lav, er den eneste måde at få den inerti at gå virkelig hurtigt. Imidlertid er det ikke alle flyers, der opererer ved høj Re: de fleste flyvende dyr flyver ved meget lavere Re. Insekter fungerer især i ganske små Reynolds-tal (relativt set). Faktisk er nogle insekter så små, at de svømmer gennem luften snarere end at flyve. Så hvis vi skalerer en buglignende kriter eller lille fugl bare lidt, får vi muligvis noget, der kan bevæge sig i den Martiske atmosfære uden at skulle gå sindssygt hurtigt.
Vi har brug for et system med ligninger for at begrænse vores lille bot. Det viser sig, at det ikke er for hårdt. Som en grov tilnærmelse kan vi bruge Colin Pennycuicks gennemsnitlige flappingfrekvensligning. Baseret på forventningerne til flappingfrekvens fra Pennycuick (2008), varierer flappingsfrekvens groft som kropsmasse til 3/8 strømmen, gravitationsacceleration til 1/2 effekt, spænding til -23/24 kraften, vingeområdet til -1 / 3 effekt og væsketæthed til -3/8 strømmen. Det er praktisk, fordi vi kan tilpasse os, så de matcher Mars's tyngdekraft og lufttæthed. Men vi er nødt til at vide, om vi kaster hvirvler fra vingerne på en rimelig måde. Heldigvis er der et kendt forhold, også der: Strouhal-nummeret. Str (i dette tilfælde) er flapping amplitude x flapping frekvens divideret med hastighed. I krydstogtsflugt viser det sig at være ret begrænset.
Vores bot bør derfor ende med en Str mellem 0,2 og 0,4, mens den matcher Pennycuick-ligningen. Og så skal vi endelig få et Reynolds-nummer i området for et stort levende flyvende insekt (små insekter flyver i et underligt regime, hvor meget af fremdrift er trækbaseret, så vi vil ignorere dem i øjeblikket). Hawkmoths er godt studeret, så vi har deres Re-rækkevidde til forskellige hastigheder. Afhængig af hastighed spænder det fra ca. 3.500 til ca. 15.000. Så et eller andet sted i det ballpark vil gøre.
Der er et par måder at løse systemet på. Den elegante måde er at generere kurverne og kigge efter skæringspunkterne, men en hurtig og nem metode er at slå det i et matrixprogram og løse iterativt. Jeg giver ikke alle mulige muligheder, men her er en, der har fungeret temmelig godt til at give en idé:
Masse: 500 gram
Span: 1 meter
Vinge aspektforhold: 8.0
Dette giver en Str på 0,31 (lige ved pengene) og Re på 13.900 (anstændigt) ved en liftkoefficient på 0,5 (hvilket er rimeligt at sejle). For at give en idé ville denne bot have nogenlunde fuglelignende proportioner (svarende til en and), omend lidt på den lette side (ikke hård med gode syntetiske materialer). Det vil dog klappe gennem en større bue med højere frekvens end en fugl her på Jorden, så den ville se lidt ud som en kæmpemøl på afstand til vores jordtrænede øjne. Som en ekstra bonus, fordi denne bot flyver i en møl-Reynoldsregime, er det sandsynligt, at det muligvis kan hoppe til de meget høje løftekoefficienter af insekter i korte perioder ved hjælp af ustabil dynamik. Ved en CL på 4,0 (som er målt for små flagermus og fluecatchers samt nogle store bier) er båshastigheden kun 19,24 m / s. Max CL er mest nyttigt til landing og lancering. Så: kan vi starte vores bot ved 19,24 m / s?
For sjovt, lad os antage, at vores fugl / bug-bot også lanceres som et dyr. Dyr starter ikke som fly; de bruger en ballistisk initiering ved at skubbe fra underlaget. Nu bruger insekter og fugle gående lemmer til dette, men flagermus (og sandsynligvis pterosaurer) bruger vingerne til at fungere som skubbesystemer. Hvis vi fik vores botsvinger til at være værdifulde, kan vi bruge den samme motor til at starte som til at flyve, og det viser sig, at der ikke kræves meget skub. Takket være den lave Mars-tyngdekraft går endda et lille spring langt, og vingerne kan allerede slå nær 19,24 m / s, som det er. Så bare et lille hop gør det. Hvis vi føler os smarte, kan vi sætte lidt mere punch på det, og det vil komme ud af krater osv. Uanset hvad skal vores bot kun være omkring 4% så effektiv springer som gode biologiske springere for at gøre det op til hastighed.
Disse tal er selvfølgelig bare en grov illustration. Der er mange grunde til, at rumprogrammer endnu ikke har lanceret robotter af denne type. Problemer med installation, strømforsyning og vedligeholdelse ville gøre disse systemer meget udfordrende at bruge effektivt, men det er måske ikke helt umuligt. Måske en dag vil vores rovere indsætte møllebots af andstørrelser for bedre rekognosering på andre verdener.
