¿Por qué no enviamos cuadricópteros a Marte?

Después de ver la serie MARS en National Geographic, noté que enviaron a uno de los miembros de su tripulación a un abismo para buscar hielo. Me pregunté, ¿por qué no se llevaron un dron comercial regular y exploraron el abismo con eso?

Inmediatamente después de eso, me di cuenta de que hasta ahora solo hemos estado enviando rovers para explorar Marte (lo cual se confirmó aquí ). Creo que esto es demasiado inconveniente para explorar Marte. Entiendo que un rover es más útil si quieres analizar los compuestos en la superficie de Marte.

Los drones podrían cubrir un área grande en poco tiempo (dependiendo de la luz solar). Los rovers han recorrido un máximo de 40 km solos:

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Si realmente estamos buscando vida presente o pasada en Marte, los drones serían mucho más fáciles; pueden volar directamente sobre piedras grandes, (o hacia) abismos y otros desniveles en la superficie de Marte.

En mi opinión, solo el suministro de energía sería un problema; sin embargo, esto se puede solucionar aterrizando los drones en lugares soleados... que los drones pueden encontrar más fácilmente.

Entonces, ¿cuál es el trato?

Actualización (2018-05) : La NASA está enviando un helicóptero a Marte .

La atmósfera en Marte es realmente muy delgada: la cima del Monte Everest es delgada. ¿Qué tan bien funcionarían estos drones a 30,000 pies?
30,000 pies? Estoy hablando de drones que vuelan hasta un máximo de 50 m por encima de la superficie. Lea el descargo de responsabilidad.
Quiere decir que el aire en la superficie de Marte es tan delgado que sería como intentar volar un dron en la Tierra a 30k pies.
Excepto que son más como 30 km, no 30 mil pies. A 30k pies, la presión atmosférica es aproximadamente el 32% del nivel del mar.
@RussellBorogove Me preguntaba sobre eso, gracias por la corrección.
@DanPichelman Aquí, una forma rápida de verificar: un valor aproximado para la presión atmosférica en la superficie de Marte es el 1% de la de la Tierra, aunque varía debido a las variaciones extremas de la altitud de la superficie en Marte. yo norte ( 0.01 ) es de aproximadamente -4,6, lo que significa que la atmósfera de la Tierra alcanza el 1% de la presión a nivel del mar a unas 4,6 veces la altura de la escala. La altura de escala de la Tierra es algo así como 8 kilómetros, por lo que alcanza el 1% a unos 37 km o aproximadamente 120 000 pies, no 30 000 pies. Se compara bien con los valores tabulares de unos 110.000 pies.
Enlace obligatorio: what-if.xkcd.com/30 (Me sorprende que nadie lo haya publicado todavía)
¿Cómo se supone que debe buscar vida sin hacer ningún análisis de la (sub)superficie? Si pudieras verlo mirando, haríamos que los orbitadores lo hicieran.
@OrangeDog, entonces, ¿cómo exploran los abismos los orbitadores? ellos no Pero lo más importante, mi pregunta se centra en explorar territorio para futuras bases humanas.
Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .
Por favor tome más discusión para chatear.

Respuestas (5)

Marte tiene dos desventajas en comparación con la Tierra:

  • está más lejos del sol, por lo que recibe menos luz solar.
  • La densidad atmosférica en Marte es de 0,011 kg/m 3 (en la superficie, a una temperatura de 0 °C). En la Tierra: 1,2 kg/m 3 , por lo que la atmósfera de Marte tiene un 1% de la densidad de la terrestre. La sustentación es proporcional a la densidad del aire , por lo que un ala tendrá el 1% de la sustentación en Marte.
  • La gravedad es el 38% de la de la Tierra.

Un dron de consumo que puede levantar 0,5 kg (peso total del fuselaje y la carga útil) en la Tierra, puede levantar 7,5 gramos en Marte. Esto significa que necesita un avión grande para lograr cualquier cosa.
(gracias a un comentario de Russell Borogove): Un dron con una masa de 0,5 kg que transporta 0,5 kg de carga útil adicional en la Tierra debe producir 1,0 kg-f de sustentación para flotar; en Marte, el mismo dron produce alrededor de 0,01 kg-f de sustentación (o menos), pero necesita el 38 % de 0,5 = 0,19 kg-f para despegar sin carga útil.

Esto también explica por qué aún no se ha hecho: solo recientemente las baterías han alcanzado la densidad de potencia que necesita para que un dron despegue en Marte. En los últimos 30 años, las baterías se han duplicado en densidad de energía , y la mayor parte de ese cambio se produjo en los últimos 10 años debido a la creciente popularidad de los teléfonos móviles.

Densidad de energía a lo largo del tiempo

Hasta ahora, el vuelo en helicóptero en Marte simplemente no era posible porque un motor y una fuente de energía lo suficientemente potentes para volar el avión serían demasiado pesados ​​para levantarlos del suelo.
Y la energía eléctrica es la única tecnología factible para aeronaves en Marte. Un motor de combustión interna necesitaría oxígeno además de combustible, y tendría que transportarlos a la aeronave (demasiado caro) o fabricarlos in situ (teóricamente posible, pero aún no se ha demostrado).

La NASA está considerando agregar un dron a una próxima misión .

Los vuelos diarios individuales se limitarían a solo 3 minutos aproximadamente debido a limitaciones de energía. El helicóptero probablemente volaría a una altura de hasta 330 pies (100 m) y cubriría una trayectoria terrestre de unos 2000 pies (600 m) cada día, dijeron los investigadores.

Tal vez valga la pena mencionar que cualquier exploración que valga la pena requeriría más que solo una cámara: un arsenal de equipos de recolección de muestras y un laboratorio bien equipado para procesar las muestras recolectadas y observar/medir los resultados. El último rover de Marte era básicamente un laboratorio móvil, toda una hazaña de ingeniería en sí misma. Conseguir uno en el aire en la delgada atmósfera marciana sería mucho más heroico.
@AnthonyX Combine un laboratorio sobre ruedas basado en tierra con un recolector de muestras en el aire y ese problema se resuelve en gran medida. Muchos otros problemas con la idea, pero otros los han cubierto.
Creo que todavía serviría para un buen propósito. Me imagino al qc descansando en el rover recolectando energía solar hasta que esté completamente cargado. Luego, realice un vuelo de unos minutos para tomar fotografías del área local que se pueden usar para tomar mejores decisiones sobre en qué dirección debe moverse el rover al día siguiente para maximizar su efectividad.
¿Qué tiene que ver la presión atmosférica con esto? Si un cuerpo se asienta en un fluido y aumenta la presión del fluido a su alrededor (manteniendo todo lo demás constante), entonces la fuerza neta sobre el cuerpo es la misma, aunque es más probable que el aumento de la presión lo aplaste. La densidad de la atmósfera puede ser un factor más importante (y esto, por supuesto, está relacionado indirectamente con la presión).
Tienes razón, la elevación depende de la densidad. Agregué el cálculo basado en la densidad, y eso no cambió el resultado.
Vale la pena mencionar: cualquier dron a control remoto en Marte tendría un tiempo de retraso significativo: en circunstancias ideales, ¡alrededor de 12 minutos!
¿Por qué ese sería el límite? ¿Hay alguna razón por la que no puedan alimentarlo con un trozo de plutonio como lo hacen con los drones con ruedas?
@Btuman, la densidad de potencia (masa) de los RTG es realmente horrible, aunque su densidad de energía es bastante estelar. El vuelo requiere una alta relación potencia-peso, ya sea para generar empuje/ascenso o, más sutilmente, accionar los controles para no chocar contra una roca.
The National Geographic Series, MARS parecía haber pasado por alto este detalle técnico. Si mal no recuerdo, los drones que usaban para buscar, inspeccionar el paisaje eran diminutos. No es probable que se compre para llevarlos a la atmósfera delgada. Supongo que no pudieron resistir dada la moda actual de los drones.
... tal vez drones muy pequeños cumplirían con la relación elevación/peso requerida en la superficie marciana. ... vale la pena explorar.
Creo que esta respuesta está completa desde el punto de vista de la ingeniería. Después de haber trabajado en JPL, puedo decir definitivamente que el problema está impulsado por la ciencia al menos en un 50%. Un vehículo de carrocería pequeña de cualquier tipo no puede hacer mucha ciencia más que tomar fotografías. Además, las misiones a menudo están diseñadas para apuntar a una característica en un área, por lo que los viajes rápidos no son realmente vitales. Después de todo, tenemos oribters para tomar fotografías en áreas grandes. El rover Mars 2020 viajará mucho más lejos y es la primera misión de rover de muchos sitios que hemos tenido. Incluso esa misión tiene que recolectar muestras, algo que un quad no puede hacer.
Hay un error tipográfico en el gráfico, no Pd-acid sino Pb-acid. Véase batería de plomo-ácido .

Un problema adicional que debe abordarse: dicho dron debería ser completamente autónomo, o al menos tener un controlador autónomo (¿rover?) en la superficie de Marte.

El dron de tu ejemplo se pilota de forma remota, pero el retraso de la señal entre la Tierra y Marte varía entre 4 y 24 minutos (en un solo sentido), dependiendo de sus ubicaciones orbitales relativas.

En algún nivel, esto implica el hardware de grado militar que querías evitar.

Para abordar algunos de los comentarios, no olvide que no tiene ningún GPS para guiarse. Su dron debe poder tomar una secuencia completa de comandos, ejecutarlos con total autonomía en condiciones difíciles e inciertas e informar los resultados para su posterior análisis. Sí, es "solo software", pero eso es eliminar algunos obstáculos bastante importantes.

El grado militar no significa que deba ser desarrollado por militares, sino que debe desarrollarse con una precisión que va más allá de la mayoría de las aplicaciones de consumo.

Estas son algunas de las duras condiciones con las que tendría que lidiar un dispositivo de este tipo:

  • Polvo. Polvo por todas partes.
  • Tormentas de polvo globales que pueden durar meses
  • Vientos variables (durante tormentas de polvo se han medido con rachas de hasta 94 km/h)
  • Baja inercia térmica - ciclos rápidos de calentamiento/enfriamiento, alrededor de 100 K por ciclo diario.
  • Junto con eso, el frío extremo. Las diferentes regiones son obviamente diferentes, pero las temperaturas polares pueden bajar hasta -153 C; las regiones ecuatoriales pueden alcanzar una agradable temperatura de 20 C al mediodía de verano, pero los mínimos nocturnos pueden caer a -100 o más.
  • Sin campo magnético, tan alta radiación cósmica. Y tampoco guía magnética.
No estoy seguro de cómo va esto a "grado militar"; si solo está tratando de hacer una encuesta general, con evitación básica de objetos e incluso la capacidad de volver atrás y buscar más detalles si se le indica, no hay nada de grado militar en eso. En realidad, analizar esos detalles y decidir de forma autónoma si algo necesita una investigación adicional es más avanzado, pero sigue siendo solo software.
No, más como "hardware de grado de entrega de pizza". El hardware de grado militar tiene varias capacidades y tecnologías distintas más allá de esto.
Tal vez el siguiente paso sean los satélites GPS sobre Marte
@ Mayou36 ¿¿¿¿Sin polvo, en Marte???
Los sistemas de navegación precisos basados ​​en tierra no son difíciles de implementar: se usaban ampliamente en la tierra antes del GPS. ¿Podría tener un cubesat para otro LOP y usar su dron cuando estaba en el horizonte?
Además, no es tu polvo habitual. El polvo en Marte es mucho más fino (por esa razón se les llama finos). Se meten en todo y tapan todo
@Rich ¿Qué sistemas de posicionamiento basados ​​en tierra propone? La mayoría de los sistemas de posicionamiento basados ​​en tierra dependen mucho de la tierra y es necesario tener varios puntos de referencia para una triangulación adecuada.
@roetnig: El módulo de aterrizaje que lleva su cuadricóptero a la superficie también tendrá que enviar tres radiobalizas. Pero esos pueden ser bastante triviales: solo un panel solar, un reloj atómico, una radio y una antena.
@MSalters Pero luego necesita un mecanismo de entrega para ellos, que los colocará lo suficientemente separados como para ser útiles. Dado que su dron depende de ellos, su rover necesitaría hacer esto por sí mismo o tener rovers más pequeños para entregarlos. Y si ese es el caso, entonces no necesitas el dron en primer lugar porque tendrás que navegar por todo el terreno sobre el que ibas a volar.
@GalacticCowboy: Supongo que se separarían del módulo de aterrizaje durante la fase terminal y aterrizarían a unos pocos kilómetros de distancia. Luego mapearía sus posiciones desde el espacio y cargaría las coordenadas al dron. Tenga en cuenta que estas balizas pueden ser más simples que los satélites GPS. En GPS, la cantidad de receptores supera con creces a la de los satélites, por lo que tiene sentido poner más inteligencia en los satélites.
@MSalters seguro ... pero ... esas radiobalizas deben colocarse en "posiciones conocidas" para que sean de alguna utilidad para determinar la posición del cuadricóptero. En el pasado reciente (sin GPS) durante la configuración de un sistema de posicionamiento, primero tenía que colocar dos o tres bases en una posición conocida (obtener las coordenadas exactas), luego tenía que calibrar el equipo desde esas posiciones conocidas . No es práctico en Marte...
@MSalters: ... otro "detalle" que hace que la idea sea poco práctica: necesita que los puntos de referencia estén a una altura que permita la comunicación directa (línea de visión) con el objeto cuya posición desea obtener. En realidad, los rovers de Marte (o de la Luna) no utilizan ningún sistema de posicionamiento, utilizan un software de navegación inercial (Surface Attitude Position y Pointing SAPP) que mantiene una posición estimada usando lecturas de odometría y giroscopio de ruedas, y luego se corrige desde la tierra usando fotos del sol tomado por el rover. ieeexplore.ieee.org/document/1571116
Esto tiene más información sobre "Cómo se podría navegar en Marte": space.stackexchange.com/questions/2570/…
@roetnig algo así como Motorola Miniranger ( dfo-mpo.gc.ca/Library/54804.pdf ) solo con tecnología moderna y con las estaciones capaces de determinar su posición mediante astronavegación durante un período,
@Rich: Los sistemas de posicionamiento de uso común se basan en satélites o en varias estaciones terrestres. Miniranger (así como Trisponder, Syledis u otros sistemas utilizados en el pasado) están basados ​​en tierra y necesitan varias estaciones de posición conocida. Posicionar un vehículo en la superficie de Marte no es una tarea fácil, se utilizan sistemas inerciales (giroscopio+cuentakilómetros de ruedas) que necesitan correcciones periódicas. Los rovers de Marte corrigen su posición enviando fotos terrestres del sol, luego se calcula la posición y se envía de regreso al rover. Y eso no es suficiente para un vehículo aerotransportado.

Para complementar la respuesta de Hobbes con algunos números, se presenta una comparación básica de los requisitos de potencia para un rotor de elevación en la Tierra y Marte:

La relación aproximada de las presiones atmosféricas superficiales de Marte y la Tierra:

R METRO / R mi = 0.0123

La relación aproximada de la gravedad de la superficie y, por lo tanto, el empuje requerido en Marte y la Tierra:

T METRO / T mi = 0.379

A partir de la teoría del disco del actuador, los requisitos de potencia de un rotor se escalan a través de lo siguiente:

PAGS METRO / PAGS mi = ( T METRO / T mi ) 1.5 ( R mi / R METRO ) 0.5

Por lo tanto, el mismo helicóptero en la Tierra necesitaría alrededor de 2,1 veces la potencia para levantarse en la superficie de Marte.

Nota al margen, para lograr los mismos requisitos de potencia, necesitaría reforzar los rotores a 4,42 veces el área del disco.

La teoría del disco actuador es el análisis más básico e idealizado que puede presentar para este tipo de problema. Descuida una gran cantidad de efectos como el arrastre de la hoja, la compresibilidad, etc., que tienden a aumentar aún más los requisitos de potencia.

Tenga en cuenta que, como con todos los aviones, cuanta más energía necesite, más grandes serán las baterías y los motores que necesitará para volar. Esto conduce a un mayor empuje requerido para levantar esos motores y baterías más grandes, lo que aumenta los requisitos de energía. Amplíe este argumento y verá que los requisitos de potencia y, por lo tanto, el peso de la aeronave tienden a aumentar como una bola de nieve. Ponga esto en un cohete y tiende a aumentar el costo del sistema de lanzamiento y entrega también.

Nota añadida: otro factor a tener en cuenta es la baja velocidad del sonido de Marte debido a su baja temperatura, y el hecho de que para producir suficiente sustentación, un rotor tendría que girar a velocidades muy altas. En tal caso, una gran proporción del rotor estaría en un flujo supersónico y, en tales casos, la sustentación generalmente se pierde por completo debido al choque aerodinámico. Una nota al margen: si no tuviéramos este fenómeno, el rotor giraría naturalmente a velocidades mucho más altas para la misma potencia que en la Tierra, ya que la resistencia del aire de la atmósfera marciana es muy baja.

Estás buscando en el planeta equivocado.

Como han dicho otros, la atmósfera de Marte es demasiado delgada para que un dron genere suficiente sustentación. También vale la pena señalar que los satélites pueden hacer y han hecho un muy buen trabajo al mapear planetas y lunas desde la órbita, incluso siendo capaces de detectar posible agua usando técnicas espectrográficas.

Venus, por otro lado, tiene una atmósfera muy espesa y temperaturas superficiales que son inhóspitamente altas. Para ese planeta se han propuesto sondas voladoras, tanto del tipo más pesado que la atmósfera como del tipo globo/dirigible.

El problema es que no hay mucho de interés para ver en altura, por lo que algunas misiones propuestas han decidido tener un rover de superficie para exploración también, con las computadoras principales y la radio interplanetaria volando en el relativo frío de la atmósfera superior.

He aquí una propuesta de ejemplo. Veremos si se hace realidad.

https://www.newscientist.com/article/dn7354-to-conquer-venus-try-a-plane-with-a-brain/

¿Un planeta mejor para los drones? Mercurio es demasiado caliente y la atmósfera demasiado delgada, Venus es demasiado caliente y demasiado denso para aterrizar. La temperatura en Marte está bien para rovers y drones, pero la atmósfera es demasiado delgada. Hay uno más de los cuatro planetas rocosos interiores con muy buenas condiciones para los drones, pero este planeta no es un objetivo para la exploración espacial. Todos conocemos bien este planeta, es nuestra Tierra. Los cuatro planetas exteriores son gigantes gaseosos y los drones serían destruidos mucho antes de aterrizar en la superficie de su núcleo rocoso. Pero, ¿sabemos con certeza que hay un núcleo rocoso en su interior?
@Uwe Titan tiene una atmósfera densa y agradable y, por supuesto, es bastante genial. No pases por alto las lunas.
@Samuel: La presión de la atmósfera de Titán es buena para los drones, pero la intensidad de la energía solar es muy baja. La distancia de 9 a 10 AU al sol da como resultado 1/81 a 1/100 del nivel de radiación en una órbita terrestre. Cargar la batería de un dron con células solares requeriría bastante tiempo. Pero la temperatura es demasiado baja para que las baterías proporcionen suficiente energía para un vuelo. Lo mismo es cierto para todas las demás lunas de los planetas gigantes gaseosos, la distancia al sol es demasiado grande para usar células solares.

Esta respuesta complementaria puede ser de interés para el uso de cuadricópteros en otros cuerpos del sistema solar. El artículo de Phys.org El investigador pone los ojos en la luna más grande de Saturno describe la aplicación potencial de los cuadricópteros grandes (~ 2 metros) en la luna de Saturno, Titán. Una gravedad superficial de solo 0,14 de la de la Tierra y una presión superficial de 1,45 de la de la Tierra se adaptan mucho mejor a un avión que los de Marte.

La representación de un artista muestra el cuadricóptero Dragonfly propuesto aterrizando en la superficie de la luna Titán de Saturno, desplegando sus rotores y despegando nuevamente para observar el paisaje y la atmósfera. Crédito: Steve Gribben/Johns Hopkins APL

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La energía para volar no se genera con celdas solares, es de un Generador Termoeléctrico de Radioisótopos. Pero para obtener suficiente energía para un vuelo, las baterías se cargan durante una noche de Titán. Por supuesto, la duración de un vuelo es mucho más corta que el tiempo necesario para recargar las baterías.
¿El RTG es parte del helicóptero o está en una estación base estática a la que el helicóptero tiene que volver para recargarse?
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