Может ли роботизированный орнитоптер иметь всю необходимую энергию, чтобы летать на солнечной энергии?

Я собираюсь попытаться ответить на более конкретный вопрос, чем задается в вашем заголовке, а именно: могут ли солнечные элементы OPV обеспечивать достаточно энергии для поддержания самолета с машущими крыльями на Марсе?

Единственная известная мне хорошо изученная концепция машущих крыльев на Марсе — это отчет Аэрокосмического института Огайо об энтомпотере, о котором вы спрашивали в предыдущем вопросе . К сожалению, этот автомобиль не подходит для работы исключительно на солнечной энергии, поскольку для него требуются расходные материалы:

Несмотря на то, что положительная чистая подъемная сила получается как из CFD, так и из аналитических решений, этой силы недостаточно для полета в нижних слоях атмосферы Марса. Следовательно, технология активного управления потоком будет использоваться для увеличения подъемной силы и тяги наряду с уменьшением сопротивления энтомоптера... Надлежащее обдув крыла имеет решающее значение не только для стабильности и контроля энтомоптера, но и для приложение Mars, его способность летать.

Одна из хитроумных частей концепции энтомоптера заключается в использовании выхлопных газов его «мускулов» для достижения дополнительной подъемной силы и (за счет дуновения собственных крыльев) для управления. Без него аппарат не будет работать в разреженной марсианской атмосфере — для работы аппарату необходимо выбрасывать газ. И вы не можете пополнить газ только солнечной энергией.

(Я полагаю, что можно представить себе конденсаторный светильник на солнечной энергии, достаточный для того, чтобы поместиться на корабле. Я скептически отношусь к тому, что это возможно, но я приглашаю кого-нибудь задать дополнительный вопрос, чтобы узнать!)

Таким образом, это исследование предполагает, что ответ на вопрос отрицательный: ни один солнечный элемент не сможет обеспечить достаточно энергии для летательного аппарата с машущими крыльями на Марсе, потому что аппараты с машущими крыльями вообще не могут летать на Марсе без какого-либо источника энергии. расходуемое топливо.

Этот ответ не очень удовлетворяет. Давайте поиграем с некоторыми числами и посмотрим, сможем ли мы подобрать что-нибудь еще.

В вашем первом источнике Kaltenbrunner et. др. представляют свои результаты тестирования различных конфигураций органических фотоэлектрических (OPV) солнечных элементов, которые представляют собой чрезвычайно тонкие устройства, которые исследуются, потому что их можно сделать гибкими и легкими.

Из раздела обсуждения статьи:

Представленные здесь устройства OPV, изготовленные из ПЭТ, имеют массу на единицу площади$4 gm^-2$, и эффективность 4%, что дает$10 Wg^-1$.

Насколько я могу судить, эта цифра представляет собой наиболее удачный прототип авторов. Вполне вероятно, что эффективность действительно может быть повышена, но мы начнем с этих цифр.

Фигура$10W/g$(примерно) вычисляется как:

куда$1050W/m^2$является обычным показателем солнечной радиации на поверхности Земли. Для наших целей нам нужно вместо этого использовать солнечное излучение на поверхности Марса. Этот отчет о марсианских энтомоптерах предполагает, что речь идет о$590W/m^2$в среднем.

Наши быстрые и грязные расчеты предполагают, что (если пренебречь любым влиянием на материалы OPV условий марсианской поверхности) панели в исследовании дадут нам$5.9W/g$играть с на Марсе.

Этого достаточно для полета?

Основная точка дизайна исследования OAI на странице 49 требует$883W$летать и, кажется,$0.107m^2$площади крыла на комплект крыльев (которых у него 2). Покрытие крыльев панелями OPV только стоит$0.856g$- неудивительно , что Nature Communications были в восторге от них! Если мы это сделаем, мы купим себе:

Имейте в виду, что вы получаете это только в дневное время. Если принять во внимание мощность, необходимую для предотвращения замерзания электроники и инструментов (а также тот факт, что вам необходимо запасать энергию, чтобы они не замерзали в одночасье), с этим действительно не так много работы. Может быть , вы могли бы время от времени совершать короткие полеты после зарядки аккумуляторов, если мы полностью пренебрежем проблемой газа.

К сожалению, этот (по общему признанию, недостаточный) анализ также предполагает, что ответ отрицательный, солнечные батареи не могут правдоподобно питать аппарат с машущими крыльями в марсианской атмосфере.

Подумайте о том, чтобы попробовать большой самолет с неподвижным крылом для значительно увеличенной площади поверхности.

Я думаю, что нашел свой ответ (по крайней мере, частично), когда я нашел исследование о твердотельном самолете (SSA) , который представляет собой нетрадиционный орнитоптер, который использует механизм машущего крыла и летает как птица. Исследование SSA предполагает, что солнечным батареям (состоящим из органических фотоэлектрических элементов ), которые имплантированы в крылья SSA, необходимы литиевые батареи ( в данном случае тонкопленочные литиевые батареи ) для сохранения и непрерывного снабжения энергией, но солнечная энергия мощность является единственным источником питания, который использует SSA. В исследовании были отдельные секции для целей Марса, и, исходя из исследования, SSA также должен иметь возможность летать туда.

Это доказывает, что, по крайней мере, этот тип орнитоптера действительно может получать энергию для полета от солнечной энергии, но, насколько я понял, он не рассматривает возможность перевозки какой-либо полезной нагрузки.