Diséñame un dron de Marte

Estoy increíblemente avergonzado de estar persiguiendo la recompensa aquí, pero no puedo resistir el desafío. Además, los drones molan.

Bien, para empezar con esto, necesitamos saber qué desarrollos se han hecho en esta área. El principal proyecto en el campo de los drones propulsados ​​por rotor en Marte es el proyecto Dropter ¹ de la ESA , de la iniciativa StarTiger. El proyecto Dropter no está destinado a ser canalizado directamente a una sonda marciana, sino que es simplemente una prueba de tecnología. Su envolvente de vuelo no ha sido particularmente empujada; en su prueba final (bajo la gravedad de la superficie de la Tierra y la presión atmosférica), el dron se utilizó para alcanzar una altura de 17 metros antes de descender y bajar un rover al suelo. Primero fue guiado por GPS y luego por datos visuales.

Hay algunas dificultades asociadas con lanzar el Dropter a Marte y ver qué sucede:

• No hay red de GPS en Marte. Como se señaló en GPS / Iridium para la presencia humana en Marte? , actualmente hay una demanda mínima. Sin embargo, la Red de Espacio Profundo de la NASA resuelve esos problemas con una gran red de receptores, por lo que se conocen las posiciones de todas las naves autónomas. Sin embargo, el retraso en las comunicaciones podría ser un problema.
• El Dropter no ha sido probado en condiciones como las de Marte. El equipo de StarTiger preparó una recreación del paisaje marciano, pero la atmósfera seguía siendo la atmósfera de la Tierra, y la gravedad de la superficie seguía siendo la gravedad de la superficie de la Tierra. La NASA está investigando las condiciones para los aviones en Marte , pero aún queda mucho en el aire. Además, la mayoría de los diseños propuestos son aeronaves de ala fija, no giroaviones, y los diseños de giroaviones han sido pequeños, como se señaló en Young et al. (2004) .

Young et al. (2004) es el estudio más profundo sobre helicópteros marcianos que pude encontrar. Tiene once años, pero cubre algunos puntos bastante importantes que me gustaría mencionar:

• Alcance: los drones exploradores más pequeños, en la línea de su idea, probablemente estén limitados a un radio operativo de 50 km. Eso es bastante grande, especialmente para una nave de exploración. También estará perfectamente bien para sus especificaciones (1 km). Las naves más grandes (tripuladas) podrían alcanzar distancias de un par de cientos de kilómetros.
• Uso de energía: los giroaviones, especialmente los pequeños, consumen mucha energía en comparación con los rovers tradicionales. Hay, por supuesto, algunas ventajas de volar, principalmente poder viajar sobre grandes obstáculos (por ejemplo, montañas y cañones) a velocidades comparativamente altas.
• Masa del rotor: los rotores marcianos deben ser más ligeros que los rotores terrestres, quizás solo una décima parte de su masa. Esto restringe severamente las opciones de materiales.

Young et al. (2002) , un estudio relacionado, centrado en los tipos de naves que parece estar observando: drones pequeños y ligeros con capacidad de exploración. En ese estudio enumeraron algunos requisitos y cálculos para drones de este tipo, que suelen pesar entre 10 y 20 kilogramos:

• Dos rotores, con cuatro palas por rotor
• Radios de rotor de 1,22-1,72 metros
• Velocidad máxima de crucero de 40 metros por segundo
• Alcance de 50 kilómetros

También discuten las pruebas que se han hecho ² :

• Pruebas de vuelo estacionario de un solo rotor en una atmósfera marciana simulada
• Pruebas de vuelo estacionario del rotor coaxial en una atmósfera marciana simulada
• Pruebas de técnicas de navegación visual ³

Una prueba importante que no se había realizado hasta la publicación del artículo fue la elección de la potencia, entre motores eléctricos (con tecnología de energía regenerativa) frente a un motor de hidracina Akkerman. Este último se basa en ideas de Akkerman (1978) (¡con paredes de pago!) y se menciona en Young et al. (¿Fecha?) . Una buena comparación para la propulsión es Young et al. (2001) . El motor Akkerman proporciona mayor potencia, pero los motores eléctricos son más limpios y no tienen productos de desecho nocivos. Los motores eléctricos también tienen sus problemas: las celdas de combustible pueden producir contaminación y la energía solar no siempre es fácilmente accesible, o no siempre es suficiente.

Se han realizado más investigaciones y se han cubierto diseños específicos (ver esta presentación de diapositivas de la NASA ). Aquí está el diseño dado en esa presentación de diapositivas:

Observe los rotores coaxiales, una característica común en los diseños de helicópteros marcianos.

Entonces, respondiendo a sus preguntas específicas:

1. ¿Es factible el dron? Para este dron = dispositivo que es más pesado que la atmósfera, pero usa la atmósfera (ya sea alas o rotores) para mantenerse sobre el suelo

Absolutamente. La mayoría de los estudios son optimistas pero coinciden en que es posible.

2. Supongo que tal dispositivo usaría rotores. ¿Qué rotores necesito para mantener un dron pesado de 5 kg sobre el suelo marciano?

Puedes hacer despegar un dron de 10 kg utilizando rotores de 1,22 metros de longitud.

3. Supongo que un dron alimentado por batería. ¿Cuánta energía necesito?

Eso depende de las capacidades de la misión y otros instrumentos a bordo, pero 1550 vatios para una nave de 10 kg debería estar bien, según Young et al. (2002).

^{1 "Dropter" es una contracción de "dropship" y "quadcopter".
2 Todas las pruebas son de 2002 o antes, cuando se publicó este artículo.
3 Estos habrían sido los precursores de parte de la navegación utilizada para el proyecto Dropter.}

Artículo de Wikipedias El avión de Marte nos lleva a Sky-Sailor . Este es un dron de 2,5 kg que volaría usando 13,2 vatios de energía solar. Entonces, para una sonda de 5 kg, sospecho que entre 26,4 vatios (crecimiento lineal) y 105,6 vatios (crecimiento cúbico) son conjeturas razonables.

Sky Sailor tiene una envergadura de 3,2 metros y es un avión de ala fija, por lo que no es capaz de flotar. Tampoco está destinado a ser capaz de despegar, sino que se libera de una nave espacial después de la entrada atmosférica.

Según wiki , la presión promedio en Marte es de 0,6 kilopascales (0,087 psi), mientras que la presión atmosférica en la Tierra es de 101,3 kilopascales (14,69 psi); la presión en Marte es 170 veces menor que en la Tierra. Según el registro de altitud de Roto craft , el Rotorcraft puede operar en alturas de 12.442 metros. La presión en esta altura es 3-4 veces menor que en el nivel del mar, todavía al menos 50 veces mayor que en Marte. Creo que la atmósfera de Marte es demasiado delgada para soportar naves de rotor.

UPD: según estimaciones aproximadas, la máquina de 5 kg debe tener rotores de 10 m. UPD1: probablemente puedas construir un dron volador como un gran dirigible, pero no es un dispositivo de combate, es realmente fácil de detectar y disparar. Sand buggy / tanque con ametralladoras me parece más realista, o incluso el bot bípedo como en Red Faction se ve más realista

Personalmente, no estoy seguro de que los drones sean realmente la forma ideal de luchar en el escenario hipotético. El problema con la idea de su aerodeslizador es que el aerodeslizador en sí mismo es bastante inútil a menos que esté tratando de molestarlos hasta la muerte. Podrías poner algunas armas pequeñas en el aerodeslizador y luego dispararle a la gente, pero no vas a hacer mucho una vez que se den cuenta de que les estás disparando. Esperarán adentro hasta que te quedes sin combustible. Podrías usar el aerodeslizador para plantar explosivos, pero va a ser complicado llevar los explosivos a algún lugar útil.

Probablemente sería mucho más fácil diseñar un misil autoguiado con una carga explosiva bastante grande y simplemente destruir secciones críticas del complejo enemigo que diseñar y pilotar aviones no tripulados en algún tipo de combate aéreo. Un misil es una especie de avión no tripulado, por lo que podría aplicarse aquí. Una gran ventaja de un misil es que se mueven extremadamente rápido y sería casi imposible defenderse. Además, las altas velocidades de un misil significan que puedes usar su energía cinética para ayudar a penetrar las paredes enemigas y detonar por dentro en lugar de por fuera. http://hypertextbook.com/facts/1999/SeanManning.shtmlcita velocidades de misiles de 860 m/s y más, pero un misil crudo fabricado en unos pocos días por algunos nerds al azar probablemente tendría una velocidad más baja. Aun así, la baja densidad del aire y la baja gravedad de Marte significan que se pueden obtener muy buenos resultados con menor potencia. Dependiendo de los recursos disponibles, podría ser factible crear varios misiles y apuntar a todos los edificios de las instalaciones enemigas a la vez.

Con menos misiles (o la perspectiva de un largo tiempo de desarrollo/fabricación por misil), querrá ser estratégico con respecto a sus objetivos iniciales. Los detalles dependerán de la configuración real y la logística de la base enemiga, pero en general la prioridad es evitar que contraataquen. A menos que tenga acceso a explosivos de muy alto rendimiento, no es probable que los mate a todos rápidamente. Entonces querrás destruir cosas como su soporte vital y dejar que mueran congelados o se asfixien en lugar de atacarlos directamente.

Los científicos tendrían acceso a combustible para cohetes (tienen que salir de Marte de alguna manera) y todo tipo de productos químicos que podrían usarse para hacer explosiones decentes. Dependiendo de la naturaleza de la misión, es posible que tengan explosivos prefabricados para hacer agujeros en las rocas locales. Por ejemplo, operaciones mineras. En este punto, solo necesitan hacer un misil.

Como se señaló en otras respuestas, la presión y la densidad del aire son mucho más bajas en Marte que en la Tierra, por lo que los misiles necesitarían aletas mucho más grandes para guiarse, momento en el que comenzarían a parecerse a aviones en lugar de misiles tradicionales. Algo como el Sky-Sailor podría ser un buen comienzo para esto, pero a menos que realmente desee ahorrar combustible, no necesita sustentación aerodinámica. Dada la abundancia de científicos espaciales, también podría renunciar a las aletas de guía y utilizar propulsores de maniobra como una nave espacial.

Las cámaras en el misil podrían usarse para identificar y apuntar a una estructura objetivo, lo que hace que sea prácticamente imposible bloquear el dispositivo. Alternativamente, podría ser guiado de forma remota o usar algún tipo de GPS local para detonar en una coordenada objetivo, pero esos métodos serían más fáciles de bloquear y/o secuestrar el misil. Aún así, la guerra probablemente no duraría lo suficiente como para que ninguno de los lados desarrollara métodos para piratear los misiles de los oponentes, por lo que podría estar bien.

Un problema que tendrías con los explosivos en Marte es la menor densidad del aire. Las explosiones generalmente funcionan al aumentar temporalmente la presión del aire local a niveles extremos que causan daños. Pero un aumento de mil veces en la presión del aire marciano es un problema mucho menor que un aumento similar en la Tierra. (Esta es también la razón por la cual las explosiones en el agua pueden ser mucho más devastadoras que las del aire). A menos que pueda aterrizar en la superficie de una estructura y luego detonar, las fuerzas de conmoción serán bastante no letales.

Sin embargo, aún puede usar explosivos con buenos resultados encerrándolos en algo duro y denso. Luego, la explosión rompe la carcasa y baña el área con fragmentos de alta energía que funcionan independientemente de la presión atmosférica. Esta es la premisa básica de una granada de fragmentación.

Una idea similar es la premisa detrás de las armas de fuego y algunos tipos de minas: coloque el explosivo en un extremo de un tubo, luego coloque cojinetes de bolas o similar frente al explosivo. Detone justo antes de golpear la estructura objetivo y obtendrá un disparo de escopeta. Hay tres ventajas de este método sobre el método anterior: Primero, no está desperdiciando mucha energía rompiendo la carcasa. En segundo lugar, puede concentrar la energía en un área angular pequeña, lo que a su vez significa que A) no está desperdiciando energía arrojando fragmentos al cielo o al suelo y B) hará mucho más daño al área más pequeña y será más probable que rasgar todo el camino. En tercer lugar, la fuerza del impacto no es

Un método aún mejor, aunque más complicado de usar, es detonar un explosivo dentro de las instalaciones enemigas. De esta manera, el aire denso del interior propaga la energía de manera mucho más eficiente y el daño a los sistemas críticos será mucho mayor. Un método es un explosivo perforante. Este tipo de explosivo tiene un cono de nariz muy denso diseñado para perforar un agujero en la pared de la instalación, permitiendo que el resto del misil lo siga y aterrice en el interior, momento en el que explota de manera normal. Un segundo método sería detonar un explosivo afuera, creando una brecha en la pared, y luego seguir justo detrás con la carga explosiva que vuela a través del agujero que dejaste y detona. Un tercer método, más hollywoodiense, sería volar o conducir un vehículo de forma encubierta a través de la puerta principal, recorrer varios pasillos y luego explotar. La mejor apuesta para lograr esto probablemente sería colocar el explosivo dentro de una caja fuera del edificio y esperar a que el enemigo traiga la caja adentro para pasar la noche (o algo similar). También puede aterrizar dentro de una bahía de mantenimiento abierta o esclusa de aire, luego esperar hasta que haya sido presurizado para detonar, pero sería más probable que lo detecten.

Si no considera que los misiles sean "drones" y debe usar algo como su imagen de arriba, todo lo anterior se puede aplicar a un helicóptero con explosivos. Sin embargo, es menos probable que penetre la estructura enemiga con impulso y casi tendría que usar un enfoque de dos etapas o encubierto para introducir los explosivos principales dentro del edificio. Sin embargo, un enfoque de dos etapas sería difícil, porque querría detonar mientras la presión interna aún es alta, y el aire que sale del orificio inicial volaría el helicóptero.

Además, el tamaño del helicóptero o misil dependerá en gran medida de la cantidad de explosivo que necesites para destruir el complejo enemigo. 5 kg pueden no ser suficientes si estás tratando de destruir una cúpula de 100 metros. Aquí hay un video de YouTube de 2 kg (4,5 lb) de C4 dentro de un autobús: https://www.youtube.com/watch?v=0nc98hzR-tk . Ciertamente no querrías estar en ese autobús, pero la fuerza de la explosión disminuye exponencialmente con la distancia, e incluso el autobús bastante pequeño no se destruye por completo. Por otro lado, los domos serían extremadamente caros y probablemente mucho más pequeños que 100 metros.