Почему мы не отправляем квадрокоптеры на Марс?

После просмотра сериала « Марс » на канале National Geographic я заметил, что они отправили одного из членов своей команды вниз по пропасти, чтобы проверить наличие льда. Мне стало интересно, почему они просто не взяли с собой обычный коммерческий дрон и не исследовали на нем пропасть?

Сразу после этого я понял, что до сих пор мы только отправляли марсоходы для исследования Марса (что было подтверждено здесь ). Я думаю, что это слишком неудобно для исследования Марса. Я понимаю, что марсоход более полезен, если вы хотите проанализировать соединения на поверхности Марса.

Дроны могли покрыть большую площадь за короткое время (в зависимости от солнечного света). Роверы преодолели максимум 40 км самостоятельно:

введите описание изображения здесь

Если мы на самом деле ищем на Марсе настоящую или прошлую жизнь, беспилотники были бы проще; они могут летать прямо над большими камнями, (или в) пропастями и другими неровностями на поверхности Марса.

На мой взгляд, проблема была бы только в энергоснабжении; однако это можно решить, посадив дроны в солнечные места... которые дронам легче найти.

Итак, в чем дело?

Обновление (2018-05) : НАСА отправляет вертолет на Марс .

Атмосфера на Марсе действительно очень тонкая - вершина Эвереста тонкая. Насколько хорошо эти дроны будут работать на высоте 30 000 футов?
30000 футов? Я говорю о дронах, которые взлетают максимум на 50 м выше поверхности. Прочтите заявление об отказе от ответственности.
Он имеет в виду, что воздух на поверхности Марса настолько разрежен, что это все равно, что пытаться летать на Земле на беспилотнике на высоте 30 тысяч футов.
За исключением того, что это больше похоже на 30 км, а не на 30 тысяч футов. На высоте 30 тысяч футов атмосферное давление составляет около 32% от уровня моря.
@RussellBorogove Мне было интересно об этом - спасибо за исправление.
@DanPichelman Вот быстрый способ проверить: приблизительное значение атмосферного давления на поверхности Марса составляет 1% от земного, хотя оно варьируется из-за резких колебаний высоты над поверхностью Марса. л н ( 0,01 ) составляет около -4,6, что означает, что атмосфера Земли достигает 1% давления на уровне моря примерно в 4,6 раза больше высоты по шкале. Масштабная высота Земли составляет около 8 километров, поэтому она достигает 1% примерно на 37 км или примерно 120 000 футов, а не 30 000 футов. Хорошо сравнивается с табличными значениями около 110 000 футов.
Обязательная ссылка: what-if.xkcd.com/30 (удивлен, что ее еще никто не выложил)
Как можно искать жизнь, не проводя никакого анализа (под)поверхности? Если бы вы могли определить это по внешнему виду, мы бы заставили орбитальные аппараты сделать это.
@OrangeDog, так как орбитальные аппараты исследуют пропасти? Они не делают. Но самое главное, мой вопрос сосредоточен на изучении территории для будущих человеческих баз.
Комментарии не для расширенного обсуждения; этот разговор был перемещен в чат .
Пожалуйста, продолжите обсуждение в чате.

Ответы (5)

Марс имеет два недостатка по сравнению с Землей:

  • это дальше от Солнца, так что вы получаете меньше солнечного света.
  • Плотность атмосферы на Марсе 0,011 кг/м 3 (у поверхности, при температуре 0 °С). На Земле: 1,2 кг/м 3 , поэтому плотность атмосферы Марса составляет 1% от плотности Земли. Подъемная сила пропорциональна плотности воздуха , поэтому крыло будет иметь 1% подъемной силы на Марсе.
  • Гравитация составляет 38% от земной.

Потребительский дрон, который может поднять 0,5 кг (общий вес планера и полезной нагрузки) на Земле, может поднять 7,5 грамма на Марсе. Это означает, что вам нужен большой самолет, чтобы выполнить что-либо.
(благодаря комментарию Рассела Борогова): Дрон массой 0,5 кг, несущий 0,5 кг дополнительной полезной нагрузки на Земле, должен создавать подъемную силу 1,0 кгс для зависания; на Марсе тот же беспилотник создает подъемную силу около 0,01 кгс (или меньше), но ему требуется 38% от 0,5 = 0,19 кгс, чтобы оторваться от земли без полезной нагрузки.

Это также объясняет, почему этого до сих пор не сделали: только недавно батареи достигли плотности мощности, необходимой для того, чтобы дрон вообще взлетел на Марсе. За последние 30 лет плотность энергии аккумуляторов удвоилась , причем большая часть этих изменений произошла за последние 10 лет из-за возросшей популярности мобильных телефонов.

Плотность энергии во времени

До сих пор полет вертолета на Марсе был просто невозможен, потому что двигатель и источник энергии, достаточно мощные для управления самолетом, были бы слишком тяжелыми, чтобы их можно было оторвать от земли.
А электроэнергия — единственная возможная технология для самолетов на Марсе. Двигателю внутреннего сгорания потребуется кислород, а также топливо, и вам придется доставлять их к самолету (слишком дорого) или делать их на месте (теоретически возможно, но еще не продемонстрировано).

НАСА рассматривает возможность добавления беспилотника к предстоящей миссии .

Индивидуальные ежедневные рейсы будут ограничены примерно 3 минутами из-за нехватки электроэнергии. Исследователи заявили, что вертолет, вероятно, будет летать на высоте 330 футов (100 м) и преодолевать наземный путь около 2000 футов (600 м) каждый день.

Возможно, стоит упомянуть, что для любого стоящего исследования потребуется больше, чем просто камера - арсенал оборудования для сбора образцов и хорошо оборудованная лаборатория для обработки собранных образцов и наблюдения/измерения результатов. Последний марсоход был в основном передвижной лабораторией — сам по себе настоящий инженерный подвиг. Подняться в воздух в разреженной марсианской атмосфере было бы куда более героическим поступком.
@AnthonyX Объедините наземную колесную лабораторию с бортовым сборщиком проб, и эта проблема в значительной степени решена. Много других проблем с идеей, но другие покрыли те.
Я думаю, что это все равно послужит хорошей цели. Я представляю, как qc опирается на ровер, собирая солнечную энергию, пока полностью не зарядится. Затем отправляйтесь в полет на несколько минут, чтобы сделать снимки местности, которые можно использовать для принятия более эффективных решений о том, в каком направлении должен двигаться марсоход на следующий день, чтобы максимизировать его эффективность.
При чем тут атмосферное давление? Если тело находится в жидкости, и вы увеличиваете давление жидкости вокруг него (сохраняя все остальное постоянным), то результирующая сила, действующая на тело, остается той же, хотя повышенное давление может с большей вероятностью раздавить его. Плотность атмосферы может быть более важным фактором (и это, конечно, связано с давлением косвенно).
Вы правы, подъемная сила зависит от плотности. Я добавил расчет на основе плотности, и это не изменило результат.
Стоит отметить: любой дистанционно управляемый дрон на Марсе будет иметь значительное время задержки: в идеальных условиях около 12 минут!
Почему это предел? Есть ли причина, по которой они не могут питать его куском плутония, как это делают с колесными дронами?
@Btuman плотность мощности (массы) РИТЭГов действительно ужасна, хотя их плотность энергии довольно высока. Для полета требуется высокое отношение мощности к весу либо для создания тяги/подъемной силы, либо, что более тонко, для приведения в действие элементов управления, чтобы вы не врезались в камень.
Серия National Geographic, MARS, похоже, упустила эту техническую деталь. Если я припоминаю дроны, которые они использовали для поиска, обзор местности был крошечным. Вряд ли получится купить, чтобы поднять их в разреженную атмосферу. Полагаю, они не смогли устоять, учитывая нынешнее увлечение беспилотниками.
... возможно, очень крошечные дроны будут соответствовать соотношению подъемной силы и веса, необходимому на поверхности Марса. ... стоит изучить.
Я думаю, что этот ответ является полным с инженерной точки зрения. Поработав в JPL, я могу с уверенностью сказать, что проблема как минимум на 50% связана с наукой. Маленькое транспортное средство любого типа не может делать много науки, кроме как фотографировать. Кроме того, миссии часто предназначены для нацеливания на одну особенность в одной области, поэтому быстрые путешествия не очень важны. В конце концов, у нас есть орбитальные аппараты для съемки больших площадей. Марсоход Mars 2020 отправится намного дальше, и это первая марсоходная миссия, в которой мы участвовали. Даже эта миссия должна собирать образцы, чего не может сделать квадроцикл.
На графике опечатка, не Pd-кислота, а Pb-кислота. См. свинцово-кислотный аккумулятор .

Дополнительный вопрос, который необходимо решить: такой дрон должен быть полностью автономным или, по крайней мере, иметь автономный контроллер (марсоход?) на поверхности Марса.

Дрон в вашем примере управляется дистанционно, но задержка сигнала между Землей и Марсом варьируется от 4 до 24 минут (в одну сторону), в зависимости от их относительного орбитального положения.

На каком-то уровне это подразумевает аппаратное обеспечение военного уровня, которого вы хотели избежать.

Чтобы ответить на некоторые комментарии, не забывайте, что у вас нет GPS для навигации. Ваш дрон должен быть в состоянии принимать всю последовательность команд, выполнять их с полной автономностью в суровых, неопределенных условиях и сообщать результаты для дальнейшего анализа. Да, это «просто программное обеспечение», но это устраняет некоторые довольно значительные препятствия.

Военный класс не означает, что он должен быть разработан военными, но он должен быть разработан с точностью, выходящей за рамки большинства потребительских приложений.

Итак, вот некоторые из суровых условий, с которыми такое устройство должно справляться:

  • Пыль. Пыль повсюду.
  • Глобальные пыльные бури, которые могут длиться месяцами
  • Переменные ветры (во время пыльных бурь фиксировались порывы до 94 км/ч)
  • Низкая тепловая инерция - быстрые циклы нагрева/охлаждения, около 100 К в сутки.
  • При этом сильные морозы. Разные регионы явно разные, но полярные температуры могут опускаться до -153 C; экваториальные районы могут достигать приятных 20°С в летний полдень, а ночные минимумы могут опускаться до -100°С и более.
  • Нет магнитного поля, поэтому высокая космическая радиация. И никакого магнитного наведения тоже.
Не уверен, как это происходит «по-военному»; если вы просто пытаетесь провести общий обзор, избегая основных объектов и даже имея возможность вернуться и поискать более подробную информацию, если так указано, в этом нет ничего военного уровня. На самом деле анализ этих деталей и самостоятельное решение о том, нуждается ли что-то в дополнительном исследовании, является более сложной задачей, но это все еще просто программное обеспечение.
Нет, больше похоже на "оборудование для доставки пиццы". Помимо этого, аппаратное обеспечение военного уровня имеет несколько различных возможностей и технологий.
Возможно, следующим шагом станут спутники GPS над Марсом.
@Mayou36 Нет пыли на Марсе???
Наземные точные навигационные системы несложно развернуть — они широко использовались на Земле до появления GPS. Вы могли бы использовать кубсат для другого LOP и использовать свой дрон, когда он был за горизонтом?
Кроме того, это не ваша обычная пыль. Пыль на Марсе намного мельче (по этой причине ее называют мелочью). Они проникают во все и покрывают все
@Rich Какие наземные системы позиционирования вы предлагаете? Большинство наземных систем позиционирования очень зависят от земли, и вам нужно иметь несколько опорных точек для правильной триангуляции.
@roetnig: Посадочный модуль, который доставит ваш квадрокоптер на поверхность, также должен будет доставить три радиомаяка. Но они могут быть довольно тривиальными: просто солнечная панель, атомные часы, радио и антенна.
@MSalters Но тогда вам нужен механизм доставки для них, который разместит их достаточно далеко друг от друга, чтобы быть полезным. Поскольку ваш дрон зависит от них, ваш ровер должен будет либо делать это сам, либо использовать меньшие марсоходы для их доставки. И если это так, то вам вообще не нужен дрон, потому что вам придется перемещаться по всей местности, над которой вы собираетесь пролететь.
@GalacticCowboy: Я предполагаю, что они отделятся от посадочного модуля на заключительном этапе и приземлятся на расстоянии нескольких километров друг от друга. Затем вы наносите на карту их положение из космоса и загружаете координаты в дрон. Обратите внимание, что эти маяки могут быть проще, чем спутники GPS. В GPS количество приемников намного превышает количество спутников, поэтому имеет смысл добавить в спутники больше интеллекта.
@MSalters уверен ... но ... эти радиомаяки должны быть размещены в «известных позициях», чтобы их можно было использовать для определения местоположения квадрокоптера. В недавнем прошлом (без GPS) при настройке системы позиционирования сначала нужно было поставить две-три базы в известное положение (получить точные координаты), затем нужно было откалибровать оборудование по этим известным положениям . На Марсе непрактично...
@MSalters: .. еще одна «деталь», которая делает эту идею далеко непрактичной: вам нужно, чтобы опорные точки находились на высоте, обеспечивающей прямую связь (прямую видимость) с объектом, положение которого вы хотите получить. На самом деле марсоходы (или луноходы) не используют никакой системы позиционирования, они используют инерциальное навигационное программное обеспечение (Surface Attitude Position and Pointing SAPP), которое сохраняет расчетное положение с помощью одометра колеса и показаний гироскопа, а позже оно корректируется с Земли с помощью фотографий. солнце, снятое марсоходом. ieeexplore.ieee.org/document/1571116
Здесь есть дополнительная информация о том, «Как можно было перемещаться по Марсу»: space.stackexchange.com/questions/2570/…
@roetnig что-то вроде Motorola Miniranger ( dfo-mpo.gc.ca/Library/54804.pdf ), только с современными технологиями и со станциями, способными определять свое положение с помощью астронавигации за период,
@Rich: Обычно используемые системы позиционирования полагаются на спутники или несколько наземных станций. Miniranger (а также Trisponder, Syledis или другие системы, использовавшиеся в прошлом) базируются на земле и нуждаются в нескольких станциях с известным местоположением. Позиционирование автомобиля на поверхности Марса — непростая задача, используются инерциальные системы (гироскоп + колесный одометр), которые нуждаются в периодической корректировке. Марсоходы корректируют свое положение, отправляя земные фотографии солнца, затем положение вычисляется и отправляется обратно на марсоход. И этого недостаточно для бортовой машины.

Чтобы дополнить ответ Гоббса несколькими цифрами, представлено базовое сравнение требований к мощности для подъемного ротора на Земле и Марсе:

Примерное соотношение приземных атмосферных давлений Марса и Земли:

р М / р Е знак равно 0,0123

Примерное соотношение силы тяжести на поверхности и, следовательно, необходимой тяги на Марсе и Земле:

Т М / Т Е знак равно 0,379

Согласно теории исполнительного диска, требования к мощности ротора зависят от следующего:

п М / п Е знак равно ( Т М / Т Е ) 1,5 ( р Е / р М ) 0,5

Следовательно, тому же винтокрылу на Земле потребуется примерно в 2,1 раза больше мощности, чтобы подняться на поверхность Марса.

Примечание: для достижения тех же требований к мощности вам потребуется увеличить площадь ротора до 4,42-кратной площади диска.

Теория приводного диска — это самый простой и идеализированный анализ, который вы можете предложить для такого рода проблем. Он игнорирует целый ряд эффектов, таких как сопротивление лезвия, сжимаемость и т. д., которые имеют тенденцию еще больше увеличивать требования к мощности.

Обратите внимание, что, как и во всех самолетах, чем больше энергии вам нужно, тем больше батарей и двигателей вам потребуется для полета. Это приводит к увеличению необходимой тяги для подъема этих более крупных двигателей и аккумуляторов, что увеличивает требования к мощности. Расширьте этот аргумент, и вы увидите, что требования к мощности и, следовательно, вес самолета имеют тенденцию к снежному кому. Поместите это на ракету, и это также приведет к снежному кому стоимости системы запуска и доставки.

Добавлено примечание: еще одним фактором, который следует учитывать, является низкая скорость звука на Марсе из-за его низкой температуры, а также тот факт, что для создания достаточной подъемной силы ротор должен вращаться с очень высокой скоростью. В таком случае большая часть ротора будет находиться в сверхзвуковом потоке, и в таких случаях подъемная сила обычно полностью теряется из-за аэродинамического удара. Одно замечание: если бы у нас не было этого явления, ротор, естественно, вращался бы с гораздо большей скоростью при той же мощности, чем на Земле, поскольку сопротивление воздуха марсианской атмосферы очень низкое.

Ты ищешь не на той планете.

Как уже говорили другие, атмосфера Марса слишком тонкая, чтобы дрон мог создать достаточную подъемную силу. Также стоит отметить, что спутники могут делать и делали очень хорошую работу по картографированию планет и лун с орбиты, даже обнаруживая возможную воду с помощью спектрографических методов.

Венера, с другой стороны, имеет очень плотную атмосферу и неприемлемо высокие температуры поверхности. Для этой планеты были предложены летающие зонды, как тяжелее атмосферы, так и типа воздушного шара/дирижабля.

Проблема в том, что на высоте не так уж много интересного, поэтому для некоторых предполагаемых миссий было решено также использовать наземный вездеход для исследования, с главными компьютерами и межпланетным радио, летающим в относительной прохладе верхних слоев атмосферы.

Вот пример предложения. Посмотрим, станет ли это реальностью.

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

Лучшая планета для дронов? Меркурий слишком горячий, а атмосфера слишком разреженная, Венера слишком горячая и слишком плотная, чтобы приземлиться. Температура на Марсе нормальная для марсоходов и дронов, но атмосфера слишком разреженная. Есть еще одна из четырех внутренних каменистых планет с очень хорошими условиями для дронов, но эта планета не является целью для исследования космоса. Мы все хорошо знаем эту планету, это наша Земля. Четыре внешние планеты — газовые гиганты, и дроны будут уничтожены задолго до того, как приземлятся на поверхность их каменистого ядра. Но знаем ли мы наверняка, что внутри находится каменное ядро?
@Uwe Titan имеет приятную густую атмосферу и, конечно, довольно крут. Не пренебрегайте лунами.
@Samuel: Давление атмосферы Титана хорошо для дронов, но интенсивность солнечной энергии очень низкая. Расстояние от 9 до 10 а.е. до Солнца составляет от 1/81 до 1/100 уровня радиации на земной орбите. Для зарядки батареи дрона с помощью солнечных элементов потребуется довольно много времени. Но температура слишком низкая, чтобы батареи могли обеспечить достаточную мощность для полета. То же самое верно и для всех других спутников планет газовых гигантов, расстояние до Солнца слишком велико для использования солнечных батарей.

Этот дополнительный ответ может представлять некоторый интерес для использования квадрокоптеров на других телах Солнечной системы. Статья Phys.org « Исследователь видит самый большой спутник Сатурна» описывает потенциальное применение больших (~ 2 метра) квадрокоптеров на Титане, спутнике Сатурна. Поверхностная гравитация, составляющая всего 0,14 от земной, и поверхностное давление в 1,45 от земного гораздо более удобны для самолета, чем на Марсе.

Художественная визуализация показывает предполагаемый квадрокоптер Dragonfly, приземляющийся на поверхность Титана, спутника Сатурна, разворачивающий свои роторы и снова взлетающий, чтобы осмотреть ландшафт и атмосферу. Предоставлено: Стив Гриббен/Johns Hopkins APL.

введите описание изображения здесь

Энергия для полета вырабатывается не солнечными батареями, а радиоизотопным термоэлектрическим генератором. Но чтобы получить достаточную мощность для полета, батареи заряжаются в течение ночи на Титане. Конечно, продолжительность полета намного короче, чем время, необходимое для перезарядки батарей.
Является ли РИТЭГ частью коптера или находится на статической базовой станции, к которой коптер должен возвращаться для перезарядки?
Почему мы не отправляем квадрокоптеры на Марс?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v