Construir um veículo voador para Marte traria vantagens significativas para a exploração da superfície. É apenas 1,6% da densidade do ar terrestre ao nível do mar, mais ou menos. Isso significa que as aeronaves convencionais teriam que voar muito rapidamente em Marte para permanecer no ar. Seu Cessna comum estaria com problemas.
Mas a natureza pode fornecer uma maneira alternativa de encarar esse problema.
O regime fluido de qualquer animal voador (ou nadador), máquina etc. pode ser resumido por algo chamado Número Reynolds (Re). Re é igual ao comprimento característico x velocidade x densidade do fluido, dividido pela viscosidade dinâmica. É uma medida da proporção de forças inerciais para forças viscosas. Seu avião médio voa em alta Re: muita inércia em relação à viscosidade do ar. Como a densidade do ar de Marte é baixa, a única maneira de obter essa inércia é indo muito rápido. No entanto, nem todos os panfletos operam em alta Re: a maioria dos animais voadores voa em Re muito menor. Os insetos, em particular, operam com números bastante pequenos de Reynolds (relativamente falando). De fato, alguns insetos são tão pequenos que nadam pelo ar, em vez de voar. Portanto, se escalarmos um bichinho parecido com um inseto ou um pequeno pássaro, podemos obter algo que possa se mover na atmosfera marciana sem ter que ir incrivelmente rápido.
Precisamos de um sistema de equações para restringir nosso pequeno bot. Acontece que não é muito difícil. Como uma aproximação aproximada, podemos usar a equação da frequência média de colin Pennycuick. Com base nas expectativas de freqüência de oscilação de Pennycuick (2008), a frequência de oscilação varia aproximadamente conforme a massa corporal à potência 3/8, aceleração gravitacional à potência 1/2, extensão à potência -23/24, área da asa à -1 / 3 de potência e densidade de fluidos à potência de -3/8. Isso é útil, porque podemos ajustar para combinar com a gravidade marciana e a densidade do ar. Mas precisamos saber se estamos derramando vórtices das asas de uma maneira razoável. Felizmente, existe um relacionamento conhecido também: o número Strouhal. Str (neste caso) é a amplitude de oscilação x frequência de oscilação dividida pela velocidade. No vôo de cruzeiro, acaba sendo bastante restrito.
Nosso bot deve, portanto, terminar com um Str entre 0,2 e 0,4, enquanto corresponde à equação de Pennycuick. E então, finalmente, precisamos obter um número de Reynolds na faixa de um grande inseto voador vivo (insetos minúsculos voam em um regime estranho, onde grande parte da propulsão é baseada em arrasto, então os ignoraremos por enquanto). Os Hawkmoths são bem estudados, por isso temos seu alcance Re para uma variedade de velocidades. Dependendo da velocidade, varia de cerca de 3.500 a cerca de 15.000. Então, algures nesse estádio serve.
Existem algumas maneiras de resolver o sistema. A maneira elegante é gerar as curvas e procurar os pontos de interseção, mas um método rápido e fácil é inseri-lo em um programa de matriz e resolver iterativamente. Não darei todas as opções possíveis, mas aqui está uma que funcionou muito bem para dar uma idéia:
Massa: 500 gramas
Extensão: 1 metro
Proporção da asa: 8.0
Isso fornece um Str de 0,31 (diretamente no dinheiro) e Re de 13.900 (decente) com um coeficiente de sustentação de 0,5 (o que é razoável para cruzeiros). Para se ter uma idéia, esse bot teria proporções semelhantes às de um pássaro (semelhante a um pato), embora um pouco do lado leve (não difícil com bons materiais sintéticos). No entanto, ela atravessaria um arco maior com maior frequência do que um pássaro aqui na Terra, de modo que pareceria uma mariposa gigante à distância dos nossos olhos treinados na Terra. Como um bônus adicional, porque esse bot está voando em um regime de Reynolds, é plausível que seja capaz de pular para os coeficientes de elevação muito altos dos insetos por breves períodos usando uma dinâmica instável. Em um CL de 4,0 (que foi medido para pequenos morcegos e papa-moscas, bem como algumas abelhas grandes), a velocidade de estol é de apenas 19,24 m / s. O CL máximo é mais útil para pouso e lançamento. Então: podemos lançar nosso bot a 19,24 m / s?
Por diversão, vamos supor que nosso bot de pássaros / insetos também seja lançado como um animal. Os animais não decolam como aviões; eles usam uma iniciação balística empurrando do substrato. Agora, insetos e pássaros usam membros andando para isso, mas morcegos (e provavelmente pterossauros) usam as asas para dobrar como sistemas de empurrar. Se fizermos nossas asas de robô valerem o esforço, podemos usar o mesmo motor para lançar e voar, e acontece que não é necessário muito esforço. Graças à baixa gravidade de Marte, até um pequeno salto dá um longo caminho, e as asas já podem bater perto de 19,24 m / s. Então, apenas um pouco de salto fará isso. Se estamos nos sentindo extravagantes, podemos dar um soco um pouco mais nele, e isso sairá das crateras, etc. De qualquer maneira, nosso bot precisa apenas ser cerca de 4% mais eficiente do que saltadores biológicos para fazer até a velocidade.
Esses números, é claro, são apenas uma ilustração aproximada. Existem muitas razões pelas quais os programas espaciais ainda não lançaram robôs desse tipo. Problemas com implantação, fornecimento de energia e manutenção tornariam esses sistemas muito desafiadores para serem usados com eficiência, mas isso pode não ser totalmente impossível. Talvez um dia nossos rovers implementem bots de mariposa do tamanho de pato para melhor reconhecimento em outros mundos.
