В настоящее время поверхность Марса исследуется при помощи специальных орбитальных станций, а также стационарных модулей или тихоходных роверов. Между этими исследовательскими аппаратами существует достаточно большой пробел, который могли бы заполнить собой различные летательные аппараты. Казалось бы, почему над поверхностью Красной планеты до сих пор не летают искусственные аппараты, созданные человеком? Ответ на этот вопрос лежит на поверхности (во всех смыслах), плотность атмосферы Марса составляет только 1,6% от плотности земной атмосферы над уровнем моря, что в свою очередь означает, что самолетам на Марсе пришлось бы летать с очень большой скоростью, для того чтобы не упасть.
 |
| Марсоход Curiosity с закреплённым на его борту нейтронным детектором ДАН (красным отмечено расположение прибора). Источник: www.arms-expo.ru |
Атмосфера Марса очень разрежена, по этой причине те летательные аппараты, которые применяются человеком при перемещении в атмосфере Земли, практически никак не подходят для применения в атмосфере Красной планеты. При этом, как это ни удивительно, выход из сложившейся ситуации с будущими марсианскими летательными аппаратами предложил американский ученый-палеонтолог Майкл Хабиб. По мнению палеонтолога, прекрасным прототипом аппаратов, способных летать в марсианской атмосфере, могут стать обычные земные бабочки или небольшие птицы. Майкл Хабиб полагает, что воссоздав подобные существа, увеличив их размеры, при условии сохранения их пропорций, человечеству удастся получить подходящие для полетов в атмосфере Красной планеты аппараты.
Такие представители нашей планеты как бабочки или колибри могут летать в атмосфере с низкой вязкостью, то есть в такой же атмосфере, как на поверхности Марса. Именно поэтому они могут выступить очень хорошими образцами для создания будущих моделей летательных аппаратов, пригодных для покорения марсианской атмосферы. Максимальные размеры подобных аппаратов можно было бы рассчитать, используя уравнение английского ученого Колина Пеннисьюика из Бристоля. Однако основными проблемами все же стоит признавать вопросы, связанные с обслуживанием подобных летательных аппаратов на Марсе в отдалении от людей и при их отсутствии на поверхности.
Поведение всех плавающих и летающих животных (равно как и машин) можно выразить числом Рейнольдса (Re): для этого необходимо перемножить между собой скорость летуна (или пловца), характеристическую длину (к примеру, гидравлический диаметр, если мы говорим о реке) и плотность жидкости (газа), а полученный в результате перемножения результат разделить на динамическую вязкость. В результате получится отношение инерционных сил к силам вязкости. Обыкновенный самолет в состоянии лететь на высоком числе Re (очень высокая инерция относительно вязкости воздуха). Однако на Земле существуют животные, которым «хватает» сравнительно малого числа Re. Таковы крошечные птички или насекомые: некоторые из них обладают настолько небольшими размерами, что, по сути, они не летают, а плавают по воздуху.
Ученый-палеонтолог Майкл Хабиб, учитывая это, предложил взять любое из этих животных или насекомых, увеличив все пропорции. Так удалось бы получить летательный аппарат, приспособленный для марсианской атмосферы, и не нуждающийся в высокой скорости полета. Весь вопрос заключается в том, до каких размеров можно было увеличить бы бабочку или птичку? Именно здесь и появляется уравнение Колина Пеннисьюика. Данный ученый еще в 2008 году предложил оценку, согласно которой частота колебаний может варьироваться в диапазоне, который образуется следующими числами: масса тела (корпуса) — в степени 3/8, длина — в степени -23/24, площадь крыла — в степени -1/3, ускорение свободного падения — в степени 1/2, плотность жидкости — в степени -3/8.
Это достаточно удобно для расчетов, так как можно вносить поправки, которые соответствовали бы плотности воздуха и силе тяжести на Марсе. При этом необходимо будет также знать, правильно ли мы «образуем» вихри от использования крыльев. К счастью и здесь существует подходящая формула, которая выражается числом Струхаля. Данное число рассчитывается в этом случае как произведение частоты и амплитуды колебаний, деленное на скорость. Значение данного показателя очень сильно ограничит скорость аппарата в крейсерском режиме полета.
 |
| Район Point Lake поверхности Марса |
| Источник: CNews.ru |
Значение данного показателя для марсианского аппарата должно составить от 0,2 до 0,4, для того чтобы соответствовать уравнению Пеннисьюика. При этом в конце необходимо будет привести число Рейнольдса (Re) в интервал, который соответствовал бы крупному летающему насекомому. К примеру, у достаточно хорошо изученных бражников: Re известно для различных скоростей полета, в зависимости от скорости данное значение может варьироваться от 3500 до 15000. В этот диапазон Майкл Хабиб предлагает уложиться и создателям марсианского самолета.
Решить предложенную систему сегодня можно различными способами. Наиболее изящный из них – это построение кривых с нахождением точек пересечения, однако быстрее всего и гораздо проще ввести все данные в программу для вычисления матриц и решить итерационно. Американский ученый не приводит всех возможных вариантов решения, остановившись на том из них, который он считает самым подходящим. Согласно этим расчетам длина «гипотетического животного» должна составить 1 метр, масса порядка 0,5 кг., относительное удлинение крыла — 8,0.
Для аппарата или существа таких размеров число Струхаля составляло бы 0,31 (очень хороший результат), Re – 13 900 (тоже хорошо), коэффициент подъемной силы – 0,5 (приемлемый результат для крейсерского режима полета). Для того чтобы реально представить себе данный аппарат Хабиб сравнил его пропорции с утиными. Но при этом использование нежестких синтетических материалов должно сделать его еще более легким, чем у гипотетической утки таких же размеров. Помимо этого данному дрону придется гораздо чаще хлопать крыльями, поэтому здесь уместно будет сравнить его с мошкой. В то же время число Re сопоставимое с таковым у бабочек, позволяет судить о том, что на короткое время аппарат буде обладать высоким коэффициентом подъемной силы.
Смеха ради, Майкл Хабиб предлагает допустить тот факт, что его гипотетический летательный аппарат будет взлетать на манер птицы или насекомого. Всем известно, что животные не разбегаются по ВПП, для взлета они отталкиваются от опоры. Для этого птицы, как и насекомые, используют свои конечности, а летучие мыши (вполне вероятно, что ранее так поступали и птерозавры) в качестве толкающей системы использовали еще и собственные крылья. Благодаря тому, что сила тяжести на Красной планете очень мала, хватит даже сравнительно небольшого толчка для взлета – в районе 4% от того, что могут продемонстрировать лучшие земные прыгуны. При этом если толкающей системе аппарата удастся прибавить мощности, он сможет без проблем взлетать даже из кратеров.
Стоит отметить, что это очень грубая иллюстрация и не более. В настоящее время существует большое количество причин, из-за которых космические державы до сих пор не создали подобных дронов. Среди них можно выделить проблему развертывания летательного аппарата на Марсе (можно осуществить при помощи марсохода), обслуживания и энергообеспечения. Идея достаточно сложно реализуема, что в конечном итоге может сделать ее малоэффективной или даже вовсе неосуществимой.
Самолет для изучения Марса
За 30 лет Марс и его поверхность обследовались самыми разнообразными техническими средствами, его исследовали орбитальные спутники, и более чем 15 видов различных устройств, чудо-вездеходов и других хитрых аппаратов. Предполагается, что скоро к Марсу будет отправлен и робот-самолет. По крайней мере, научный центр NASA уже разработал новый проект специального роботизированного самолета, предназначенного для изучения Красной планеты. Предполагается, что летательный аппарат будет изучать поверхность Марса с высоты сопоставимой с высотой марсианских вездеходов-исследователей.
 |
| Модель самолета NASA под обозначением ARES для изучения Марса |
| Источник: NASA |
С помощью такого марсолета перед учеными откроется решение большого количества загадок Марса, которые до сих пор еще не были объяснены наукой. Марсолет сможет парить над поверхностью планеты на высоте примерно 1.6 метра и совершать полеты на многие сотни метров. При этом данный аппарат будет производить фото- и видеосъемку в разных диапазонах и на дистанции сканировать поверхность Марса.
В марсолете должны объединиться все преимущества современных марсоходов помноженные на потенциал изучения огромных расстояний и площадей. Марсолет, который уже получил обозначение ARES, в настоящее время создают 250 специалистов, работающих в разных областях. Уже сейчас ими создан прообраз марсианского самолета, который обладает следующими размерами: размах крыльев 6.5 метров, длина 5 метров. Для изготовления данного летающего робота планируется использовать легчайший полимерный углеродный материал.
К Красной планете данный аппарат предполагается доставить в точно таком же корпусе, что и аппарат для посадки на поверхность планеты. Главное предназначение данного корпуса – оградить марсолет от разрушительного воздействия перегрева при вступление капсулы в контакт с атмосферой Марса, а так же защитить аппарат при посадке от возможных поломок и механических повреждений.
Забросить данный летательный аппарат на Марс ученые планируют с помощью уже проверенных носителей, однако и здесь у них есть новые идеи. За 12 часов до посадки на поверхность Красной планеты аппарат отделится от носителя и на высоте в 32 км. над поверхностью Марса он выпустит марсианский самолет из капсулы, после этого марсолет сразу же запустит свои двигатели и, развернув шестиметровые крылья, приступит к автономному полету над поверхностью планеты.
Предполагается, что летательный аппарат ARES сможет пролететь над марсианскими горами, которые совершенно не изучены землянами и провести необходимые исследования. Обычные марсоходы не могут вскарабкаться на горы, а спутники достаточно трудно различают детали. В то же время в горах Марса существуют зоны, обладающие сильным магнитным полем, природа которого непонятна ученым. В полете ARES будет каждые 3 минуты брать пробы воздуха из атмосферы. Это достаточно важно, так как на Марсе был найден газ метан, природа и источник появления которого абсолютно не понятны. На Земле метан вырабатывают живые существа, в то время как источник метана на Марсе совершенно неясен и пока что неизвестен.
Также в марсолете ARES собираются установить аппаратуру для поиска обыкновенной воды. Ученые предполагают, что с помощью ARES они смогут получить новую информацию, которая прольет свет на прошлое Красной планеты. Ученые-исследователи уже окрестили проект ARES наиболее короткой космической программой. Марсианский самолет может пробыть в воздухе всего около 2-х часов, пока у него не израсходуется топливо. Однако и за этот небольшой промежуток времени, ARES все же будет в состоянии одолеть расстояние в 1500 километров над поверхностью Марса. После этого аппарат совершит посадку и сможет продолжить изучение поверхности и атмосферы Марса.
Источники информации:
-http://compulenta.computerra.ru/universe/explore/10008007
-http://t-human.com/journal/babochka-prototip-letayushhego-marsianskogo-robota
-http://androbots.ru/roboty_v_kosmose/robot-samolet_kosmos/ares_robot.php
Юферев Сергей
