Construir un vehículo volador para Marte tendría ventajas significativas para la exploración de la superficie. Es solo el 1.6% de la densidad del aire de la Tierra al nivel del mar, más o menos. Esto significa que los aviones convencionales tendrían que volar muy rápido en Marte para mantenerse en el aire. Tu Cessna promedio estaría en problemas.
Pero la naturaleza puede proporcionar una forma alternativa de ver este problema.
El régimen fluido de cualquier animal, máquina, etc. volador (o nadador) se puede resumir en algo llamado el Número de Reynolds (Re). El Re es igual a la longitud característica x velocidad x densidad del fluido, dividido por la viscosidad dinámica. Es una medida de la relación entre las fuerzas de inercia y las viscosas. Su avión promedio vuela a una alta Re: mucha inercia en relación con la adherencia del aire. Debido a que la densidad del aire en Marte es baja, la única forma de obtener esa inercia es ir muy rápido. Sin embargo, no todos los volantes operan a Re alta: la mayoría de los animales voladores vuelan a Re mucho más baja. Los insectos, en particular, operan en cantidades bastante pequeñas de Reynolds (en términos relativos). De hecho, algunos insectos son tan pequeños que nadan por el aire, en lugar de volar. Entonces, si escalamos un bicho parecido a un insecto o un pájaro pequeño solo un poco, podríamos obtener algo que pueda moverse en la atmósfera marciana sin tener que ir increíblemente rápido.
Necesitamos un sistema de ecuaciones para restringir a nuestro pequeño bot. Resulta que no es demasiado difícil. Como una aproximación aproximada, podemos usar la ecuación de frecuencia de aleteo promedio de Colin Pennycuick. Según las expectativas de frecuencia de aleteo de Pennycuick (2008), la frecuencia de aleteo varía aproximadamente según la masa corporal a la potencia de 3/8, la aceleración gravitacional a la potencia de 1/2, el alcance a la potencia de -23/24, el área del ala a la -1 / 3 de potencia y densidad de fluido a la potencia de -3/8. Eso es útil, porque podemos ajustarnos para igualar la gravedad marciana y la densidad del aire. Pero necesitamos saber si estamos desprendiendo vórtices de las alas de una manera razonable. Afortunadamente, también existe una relación conocida: el número de Strouhal. Str (en este caso) es la amplitud de aleteo x la frecuencia de aleteo dividida por la velocidad. En vuelo de crucero, resulta ser bastante limitado.
Nuestro bot debería, por lo tanto, terminar con un Str entre 0.2 y 0.4, mientras coincide con la ecuación de Pennycuick. Y luego, finalmente, necesitamos obtener un número de Reynolds en el rango de un gran insecto volador vivo (los insectos pequeños vuelan en un extraño régimen en el que gran parte de la propulsión se basa en la resistencia, por lo que los ignoraremos por ahora). Los Hawkmoths están bien estudiados, por lo que tenemos su rango Re para una variedad de velocidades. Dependiendo de la velocidad, varía de aproximadamente 3,500 a aproximadamente 15,000. Entonces, en algún lugar de ese estadio será suficiente.
Hay algunas formas de resolver el sistema. La manera elegante es generar las curvas y buscar los puntos de intersección, pero un método rápido y fácil es insertarlo en un programa matricial y resolverlo de forma iterativa. No daré todas las opciones posibles, pero aquí hay una que funcionó bastante bien para dar una idea:
Masa: 500 gramos
Span: 1 metro
Relación de aspecto del ala: 8.0
Esto da un Str de 0.31 (justo en el dinero) y Re de 13.900 (decente) a un coeficiente de elevación de 0.5 (que es razonable para el crucero). Para dar una idea, este bot tendría proporciones más o menos parecidas a las de un pájaro (similar a un pato), aunque un poco ligero (no es resistente con buenos materiales sintéticos). Sin embargo, se movería a través de un arco mayor a una frecuencia más alta que un pájaro aquí en la Tierra, por lo que se vería un poco como una polilla gigante a la distancia de nuestros ojos entrenados en la Tierra. Como una ventaja adicional, debido a que este robot está volando en un régimen de Reynolds, es posible que pueda saltar a los coeficientes de elevación muy altos de los insectos durante breves períodos utilizando dinámicas inestables. Con un CL de 4.0 (que se ha medido para murciélagos pequeños y papamoscas, así como algunas abejas grandes), la velocidad de pérdida es de solo 19.24 m / s. Max CL es más útil para aterrizar y lanzar. Entonces: ¿podemos lanzar nuestro bot a 19.24 m / s?
Por diversión, supongamos que nuestro robot para pájaros / insectos también se lanza como un animal. Los animales no despegan como los aviones; usan una iniciación balística empujando desde el sustrato. Ahora, los insectos y las aves usan extremidades para caminar para esto, pero los murciélagos (y probablemente los pterosaurios) usan las alas para doblarse como sistemas de empuje. Si hicimos que nuestras alas de bots sean dignas de empuje, entonces podemos usar el mismo motor para lanzar que para volar, y resulta que no se requiere mucho empuje. Gracias a la baja gravedad de Marte, incluso un pequeño salto da un gran paso, y las alas ya pueden batir cerca de 19,24 m / s tal como están. Así que solo un pequeño salto lo hará. Si nos sentimos sofisticados, podemos darle un poco más de fuerza, y eso se saldrá de los cráteres, etc. De cualquier manera, nuestro bot solo necesita ser aproximadamente un 4% más eficiente que un buen saltador biológico para hacer a la velocidad.
Estos números, por supuesto, son solo una ilustración aproximada. Hay muchas razones por las que los programas espaciales aún no han lanzado robots de este tipo. Los problemas con la implementación, el suministro de energía y el mantenimiento harían que estos sistemas sean muy difíciles de usar de manera efectiva, pero puede que no sea del todo imposible. Quizás algún día nuestros rovers desplegarán bots de polillas del tamaño de un pato para un mejor reconocimiento en otros mundos.
