La construction d'un véhicule volant pour Mars aurait des avantages importants pour l'exploration de la surface. C'est seulement 1,6% de la densité de l'air de la Terre au niveau de la mer, à donner ou à prendre. Cela signifie que les avions conventionnels devraient voler très rapidement sur Mars pour rester en altitude. Votre Cessna moyen aurait des ennuis.
Mais la nature peut fournir une autre façon de voir ce problème.
Le régime fluide de tout animal, machine, etc. volant (ou nageant) peut être résumé par quelque chose appelé le nombre de Reynolds (Re). Le Re est égal à la longueur caractéristique x vitesse x densité de fluide, divisée par la viscosité dynamique. C'est une mesure du rapport des forces d'inertie aux forces visqueuses. Votre avion moyen vole à un Re élevé: beaucoup d'inertie par rapport à l'adhérence de l'air. Parce que la densité de l'air de Mars est faible, le seul moyen d'obtenir cette inertie est d'aller très vite. Cependant, tous les flyers n'opèrent pas à haut Re: la plupart des animaux volants volent à un Re beaucoup plus bas. Les insectes, en particulier, opèrent à un nombre de Reynolds assez petit (relativement parlant). En fait, certains insectes sont si petits qu'ils nagent dans l'air plutôt que de voler. Donc, si nous augmentons un peu la taille d'une bestiole ressemblant à un insecte ou d'un petit oiseau, nous pourrions obtenir quelque chose qui peut se déplacer dans l'atmosphère martienne sans avoir à aller incroyablement vite.
Nous avons besoin d'un système d'équations pour contraindre notre petit bot. Il s'avère que ce n'est pas trop difficile. Comme approximation grossière, nous pouvons utiliser l’équation de fréquence de battement moyenne de Colin Pennycuick. Sur la base des attentes de fréquence de battement de Pennycuick (2008), la fréquence de battement varie à peu près comme la masse corporelle à la puissance 3/8, l'accélération gravitationnelle à la puissance 1/2, la portée à la puissance -23/24, la surface de l'aile à la -1 / 3 puissance, et densité de fluide à la puissance -3/8. C'est pratique, car nous pouvons nous adapter à la gravité martienne et à la densité de l'air. Mais nous devons savoir si nous éliminons les tourbillons des ailes d'une manière raisonnable. Heureusement, il existe également une relation connue: le nombre Strouhal. Str (dans ce cas) est l'amplitude de battement x la fréquence de battement divisée par la vitesse. En vol de croisière, il s'avère être assez contraint.
Notre bot devrait donc se retrouver avec un Str compris entre 0,2 et 0,4, tout en correspondant à l'équation de Pennycuick. Et puis, enfin, nous devons obtenir un nombre de Reynolds dans la gamme pour un grand insecte volant vivant (de minuscules insectes volent dans un régime étrange où une grande partie de la propulsion est basée sur la traînée, nous allons donc les ignorer pour l'instant). Les Hawkmoths sont bien étudiés, nous avons donc leur gamme Re pour une variété de vitesses. Selon la vitesse, elle varie d'environ 3 500 à environ 15 000. Donc, quelque part dans ce stade fera l'affaire.
Il existe plusieurs façons de résoudre le système. La manière élégante consiste à générer les courbes et à rechercher les points d'intersection, mais une méthode rapide et facile consiste à les insérer dans un programme matriciel et à les résoudre de manière itérative. Je ne donnerai pas toutes les options possibles, mais en voici une qui a plutôt bien fonctionné pour donner une idée:
Masse: 500 grammes
Portée: 1 mètre
Rapport hauteur / largeur des ailes: 8,0
Cela donne un Str de 0,31 (à droite sur l'argent) et un Re de 13 900 (décent) à un coefficient de portance de 0,5 (ce qui est raisonnable pour la croisière). Pour donner une idée, ce bot aurait des proportions à peu près d'oiseau (semblable à un canard), quoique un peu léger (pas dur avec de bons matériaux synthétiques). Cependant, il passerait à travers un arc plus grand à une fréquence plus élevée qu'un oiseau ici sur Terre, il ressemblerait donc un peu à un papillon géant à distance de nos yeux formés sur Terre. En prime, parce que ce bot vole dans un régime Reynolds papillon, il est plausible qu'il soit capable de sauter aux coefficients de portance très élevés des insectes pendant de brèves périodes en utilisant une dynamique instable. À un CL de 4,0 (qui a été mesuré pour les petites chauves-souris et les moucherolles, ainsi que pour certaines grandes abeilles), la vitesse de décrochage n'est que de 19,24 m / s. Max CL est le plus utile pour l'atterrissage et le lancement. Alors: pouvons-nous lancer notre bot à 19,24 m / s?
Pour le plaisir, supposons que notre robot oiseau / insecte se lance également comme un animal. Les animaux ne décollent pas comme des avions; ils utilisent une initiation balistique en poussant du substrat. Maintenant, les insectes et les oiseaux utilisent des membres qui marchent pour cela, mais les chauves-souris (et probablement les ptérosaures) utilisent les ailes pour doubler comme systèmes de poussée. Si nous avons rendu nos ailes de robots dignes de pousser, nous pouvons utiliser le même moteur pour lancer que pour voler, et il s'avère que peu de poussée est nécessaire. Grâce à la faible gravité de Mars, même un petit saut va très loin et les ailes peuvent déjà battre près de 19,24 m / s en l'état. Donc, juste un petit saut suffira. Si nous nous sentons fantaisistes, nous pouvons mettre un peu plus de punch dessus, et cela sortira des cratères, etc. De toute façon, notre bot n'a besoin d'être d'environ 4% aussi efficace qu'un sauteur que de bons sauteurs biologiques à faire le mettre à jour.
Ces chiffres, bien sûr, ne sont qu'une illustration approximative. Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles les programmes spatiaux n'ont pas encore lancé de robots de ce type. Des problèmes de déploiement, d'alimentation électrique et de maintenance rendraient ces systèmes très difficiles à utiliser efficacement, mais cela pourrait ne pas être tout à fait impossible. Peut-être qu'un jour, nos rovers déploieront des robots de nuit de la taille d'un canard pour une meilleure reconnaissance sur d'autres mondes.
