by Innspace teamRekonesans z powierzchni statku latającego jest bardzo wydajnym sposobem zbierania wszelkiego rodzaju danych geograficznych, zdjęć i śledzenia aktywności na powierzchni planety. Przenoszenie podobnych do ziemskich rozwiązań na grunt kosmicznej eksploracji innych obiektów niebieskich, a szczególnie Marsa, jest naturalnym następstwem w rozwoju awiacji i badań pozwalającym lepiej nam zrozumieć procesy zachodzące na powierzchni Marsa oraz w marsjańskiej atmosferze. Dlaczego więc do tej pory nie skorzystaliśmy z takiej możliwości, a wszelkie programy badawcze oparte są o naziemne łaziki?
Autor: Dominik Dawid Tokarz
Wizja eksploracji Marsa
Dyskusja w naukowym gronie aeronautów nad tematem – „Jak powinniśmy podejść do konstrukcji obiektów latających zdolnych poruszać się w atmosferze Marsa?” trwa tak naprawdę nie od wczoraj, a od pierwszych bardziej szczegółowych danych na temat pionowego rozkładu atmosfery Marsa dostarczonego przez lądowniki Viking 1 i Viking 2, mających miejsce w połowie lat 70 ubiegłego wieku.
Gdy myślimy o tym, jak wygląda samolot, w głowie rysują nam się dwie wizje. Jedną stanowi obraz dzisiejszych samolotów, jakie spotykamy codziennie i możemy znaleźć ich cechy wspólne – powierzchnie nośne, ster kierunku, lotki, ster wysokości, napędy na paliwa konwencjonalne. Druga, bardziej futurystyczna wizja, wykreowana przez sztukę sci-fi i popkulturę – nierealistyczne bryły, nieznane napędy, tajemnica, lasery i neony. Aby zrozumieć, dlaczego samoloty wyglądają tak, jak wyglądają, musimy najpierw zrozumieć warunki, w jakich są one eksploatowane – atmosferę ziemską. To ona wyznacza i definiuje nasze możliwości konstrukcyjne i pokonywanie kolejnych barier w okiełznaniu naszej (ziemskiej) przestrzeni lotniczej i wyznacza kierunek w rozwoju awiacji i programów rakietowych.
Nie inaczej będzie wyglądała przyszłość awiacji w marsjańskiej atmosferze. Jednak niewykluczone, że konstrukcje lotnicze mogą znacząco odbiegać od wyglądów i kształtów, do jakich już przywykliśmy. Wynika to z tego, że skład, właściwości fizyczne i chemiczne oraz rozkład marsjańskiej atmosfery są diametralnie inne od tych, do których przywykliśmy w konstrukcji obiektów latających. Ciśnienie marsjańskiej atmosfery stanowi mniej niż 1% ziemskiego, a w jego składzie na próżno szukać tlenu, który stanowi utleniacz w konwencjonalnych napędach, jakich używamy. W skrócie – przeciętna Cessna miałaby problem.
Co jeśli nie Cessna?
Nie jesteśmy jednak bezsilni w próbie modelowania i budowy pierwszych aerodyn zdolnych do lotu na Marsie. Mamy to szczęście, że fizyka i mechanika płynów działa tak samo na Marsie, jak i na Ziemi. Zachowanie każdego obiektu latającego możemy sparametryzować uniwersalnymi wskaźnikami. Jednym z takich wskaźników jest liczba Reynoldsa, która określa stosunek sił bezwładności obiektu poruszającego się w płynie do lepkości tego płynu. Przeciętny samolot projektowany jest do lotu z dużymi wartościami Re, a sprawność i zachowania profili aerodynamicznych są modelowane dla różnych wartości tego wskaźnika. Na Marsie z racji niskiej wartości ciśnienia musielibyśmy poruszać się bardzo szybko, aby wygenerować na tyle dużą wartość sił bezwładności, zdolnych utrzymać obiekt latający. Kolejnym punktem w projekcie obiektu lotniczego jest optymalizacja masowa, która jest szalenie ważna. Skoro naszym celem jest oderwanie się od powierzchni, to musimy wygenerować wartości siły nośnej co najmniej równoważącej ciężar obiektu. Więc gdy już nie możemy lecieć szybciej (bo ogranicza nas technologia napędu albo zasoby energetyczne), to musimy zadbać o jak najmniejszą masę naszego obiektu, a tutaj z pomocą przyjść może rozwój materiałoznawstwa. W szczególności mówimy tu o kompozytach, które rewolucjonizują obecnie awiację na Ziemi, więc wydają się również i przyszłością w projektach lotniczych na innych planetach. Miniaturyzacja jest naturalnym sprzymierzeńcem optymalizacji masowej. Sam Mars również trochę nam tutaj rekompensuje swoim przyciąganiem wynoszącym 0,38 G przyciągania ziemskiego, a więc obiekty nie ciążą tak mocno, jak na Ziemi.
Podsumowując, pierwsze obiekty latające na Marsie będą musiały być znacznie odchudzone, zminiaturyzowane, a jednocześnie wyposażone w powierzchnie nośne o dużym stosunku wydłużenia, i pozbawione napędów konwencjonalnych. Ciężko myśleć o nich, jako o jakimkolwiek środku transportu, bo dźwignięcie ich własnej masy przy marsjańskich warunkach wydaje się gargantuicznym osiągnięciem, ale mogą stanowić cenny instrument badawczy do rejestracji danych na temat powierzchni Marsa i jego atmosfery.
Pierwszy marsjański helikopter
Myśl o tym, czy jesteśmy w stanie latać na Marsie, rozgorzała nie tylko w świecie nauki,, ale i mediów, gdy NASA przedstawiła projekt „marsjańskiego helikoptera”, stanowiącego wyposażenie dodatkowe do łazika Perseverance. W mojej opinii jest to najciekawszy punkt tej misji, który stanowi pierwszy, realny krok do tego, aby marsjańskie niebo zaroiło się od kolejnych obiektów latających. To, jak wypadnie test Mars Helicopter Ingenuity, będzie stanowiło weryfikację wszystkich naszych założeń, jak powinny wyglądać podobne projekty, a zebrane dane i doświadczenia konstrukcyjne przełożą się na budowę bardziej skomplikowanych obiektów w przyszłości. Jest to też przede wszystkim ogromne pole do rozwoju aeronautyki, bo niczym bracia Wright, po raz pierwszy ludzkość próbuje okiełznać atmosferę, tym razem jednak Marsa. Helikopter Ingenuity zawiera pewien symboliczny „easter egg” w postaci umieszczenia kawałka materiału z samolotu braci Wright. Ten gest podkreśla jaką drogę przebyła awiacja, która dynamicznie rozwija się od ponad 100 lat.
Więcej na ten temat możecie posłuchać w naszej rozmowie z Dominikiem.