Каким должен быть марсианский летающий робот?

Поверхность Марса исследуется только орбитальными станциями, тихоходами-роверами и стационарными модулями. Между ними существует значительный пробел, который могли бы восполнить летательные аппараты. Почему их до сих пор нет на Красной планете и какими они могли бы быть?

Ответ прост и для многих читателей «КЛ», скорее всего, очевиден. Плотность марсианской атмосферы составляет лишь около 1,6% земной на уровне моря, а это значит, что самолётам придётся летать очень быстро, чтобы не упасть.

Но альтернатива существует. Её видит... американский палеонтолог Майкл Хабиб, специалист по летающим рептилиям.

Entomopter Технологического института штата Джорджия (слева).

Поведение любого летающего и плавающего животного (как и машины) можно представить числом Рейнольдса (Re): надо перемножить характеристическую длину (например, гидравлический диаметр, если мы имеем дело с рекой), скорость летуна (или пловца) и плотность жидкости (газа), а результат разделить на динамическую вязкость. Получится отношение инерционных сил к силам вязкости. Обыкновенный самолёт летит на высоком Re (очень большая инерция относительно вязкости воздуха). Но есть животные, которым «хватает» сравнительно небольшого Re. Таковы насекомые или крошечные птички: некоторые из них настолько малы, что, по сути, не летают, а плавают по воздуху.

Г-н Хабиб предлагает взять какую-нибудь из этих тварей и увеличить её с сохранением всех пропорций — таким образом мы, по его мнению, получим ЛА, способный перемещаться в атмосфере Марса без нужды в высокой скорости.

До каких пор можно увеличивать букашку или птичку? Для ответа на этот вопрос г-н Хабиб предлагает обратиться к уравнению Колина Пеннисьюика из Бристольского университета (Великобритания). Если исходить из оценки, которую предложил вышеназванный в 2008 году, частота колебаний варьируется в диапазоне, образуемом следующими числами: масса тела (корпуса) — в степени 3/8, ускорение свободного падения — в степени 1/2, длина — в степени -23/24, площадь крыла — в степени -1/3, плотность жидкости — в степени -3/8.

Это удобно, потому что мы можем внести поправки, соответствующие силе тяжести и плотности воздуха на Марсе. Но нам надо знать, правильно ли мы «образуем» вихри от крыльев. К счастью, и здесь зависимость известна: она выражается числом Струхаля. В нашем случае оно равно произведению амплитуды колебаний на их частоту, делённому на скорость. Если вы хотите лететь в крейсерском режиме, этот показатель вас очень сильно ограничит.

Наш бот, следовательно, должен выдать число Струхаля в пределах 0,2–0,4, чтобы соответствовать уравнению Пеннисьюика. И в самом конце нам надо привести число Рейнольдса в интервал, соответствующий крупному летающему насекомому (маленькие насекомые летают в необычном режиме: у них продвижение вперёд в значительной мере зависит от лобового сопротивления, так что г-н Хабиб предлагает их проигнорировать). Например, хорошо изучены бражники: их Re известно для разных скоростей. В зависимости от скорости оно варьируется от 3 500 до 15 000. В этот диапазон предстоит уложиться и нам.

Решить предложенную систему можно несколькими способами. Самый изящный состоит в том, чтобы построить кривые и найти точки их пересечения, но быстрее и проще забросить их в программу для вычисления матриц и решить итерационно. Г-н Хабиб не приводит всех возможных вариантов, останавливаясь на самом, по его мнению, подходящем.

Итак, масса гипотетического животного — 500 г, длина — 1 м, относительное удлинение крыла — 8,0.

Для такого существа число Струхаля равно 0,31 (прекрасный результат!), Re — 13 900 (неплохо), коэффициент подъёмной силы — 0,5 (приемлемо для крейсерского режима). Чтобы вы могли представить себе его наглядно, г-н Хабиб сравнивает пропорции дрона с утиными, только нежёсткие синтетические материалы должны сделать его чуть легче гипотетической утки таких размеров. Кроме того, хлопать крыльями придётся чаще, чем на Земле, так что лучше сравнивать нашего летуна с мошкой. А раз Re соответствует таковому у бабочки, он, вероятно, сможет выдавать очень высокий коэффициент подъёмной силы на короткое время благодаря неустойчивой динамике. При коэффициенте, равном 4,0 (маленькие летучие мыши, мухоловки, крупные пчёлы), скорость сваливания составит всего 19,24 м/с. Максимальный коэффициент подъёмной силы полезен прежде всего для взлёта и посадки. Сможем ли мы запустить наш БПЛА на скорости 19,24 м/с?

Хохмы ради г-н Хабиб предлагает допустить, что гипотетический ЛА взлетает на манер насекомого или птицы. Животные не разбегаются по ВПП, а отталкиваются от опоры. Для этого насекомые и птицы пользуются конечностями, а летучие мыши (возможно, так поступали и птерозавры) в качестве толкающей системы применяют ещё и крылья. Благодаря низкой силе тяжести на Марсе будет достаточно даже небольшого толчка — в районе 4% от того, что демонстрируют лучшие земные прыгуны. Если толкающей системе добавить мощности, аппарат сможет выбираться даже из кратеров.

Конечно, всё это очень грубая иллюстрация, не более того. Есть много причин, по которым космические державы до сих пор не запустили такого робота. Среди них проблемы с развёртыванием аппарата (это мог бы сделать, к примеру, марсоход), энергообеспечением и обслуживанием. Система настолько сложна, что может оказаться малоэффективной и даже неосуществимой. Обидно, правда?

Подготовлено по материалам Universe Today.

Источник: Компьюлента