پرواز فوق‌العاده هواپیمای بادبانی در مریخ

اختصاصی شبکه علمی ثریا- در طول تقریباً 120 سال پس از تولد هواپیما، انسان‌ها توانسته‌اند هواپیماهایی طراحی کنند که دیوار صوتی را بشکنند و در آسمان  به صورت وارونه حرکت کنند. با این حال، پرواز در اوج در دنیایی دیگر، موضوع دیگری است. تیمی از مهندسان هوافضا از دانشگاه آریزونا و مرکز تحقیقات ایمز ناسا از طراحی مفهومی جدیدی برای اکتشافات هوایی خارج از جهان الهام گرفتند: هواپیمای بادبانی مریخ. مفهوم آنها که اخیراً در مجله هوافضا به تفصیل شرح داده شده است، هواپیمایی را توصیف می‌کند که به هیچ موتوری متکی نیست، بلکه به نیروی باد برای اوج گرفتن بر فراز ابرها متکی است.

ایجاد وسیله نقلیه‌ای با قابلیت پرواز طولانی مدت در مریخ از لحاظ تاریخی کار دشواری برای پیاده شدن از زمین بوده است. شرایط متعددی در سیاره سرخ وجود دارد که هواپیماهای پرنده را بسیار متفاوت از زمین می‌کند - مانند طوفان‌های گرد و غبار وسیع، گرانش سطحی کمتر و جوی 100 برابر نازک‌تر از جو ما. اما در سال 2021، هلیکوپتر مریخی، Ingenuity، ثابت کرد که پرواز برقی به شکل دیگری امکان پذیر است. هلیکوپتر روتور کوچک در طول پرواز اولیه خود تا حدود 10 فوتی از سطح مریخ صعود کرد و توانست حدود نیم دقیقه شناور بماند. از آن زمان تاکنون، Ingenuity بیست و نه پرواز موفق بر روی سطح زمین انجام داده است. با این حال، یکی از مهم‌ترین چالش‌های خودرو نیاز دائمی آن به انرژی خورشیدی برای کار است. آدرین بوسکلا، نویسنده اصلی مطالعه هواپیمای بادبانی و محقق مهندسی مکانیک در دانشگاه آریزونا، می‌گوید: «هواپیماهای بال ثابت توسط نیروی محرکه محدود می‌شوند. پس برای گسترش مسیرهای پرواز، سوخت موجود در هواپیما چه کاری می توانیم انجام دهیم؟

همانطور که معلوم شد، راه حل مشکل از قبل در طبیعت رایج بود. برای گسترش مسیر پرواز یک هواپیما، این تیم مدلی را ایجاد کرد که از تکنیکی به نام «بالا رفتن پویا» استفاده می‌کند، که در آن پرنده از انرژی باد برای انجام مانورهای هوایی پیچیده استفاده می‌کند. در واقع، بال‌های آلباتروس برای اوج‌گیری بسیار تخصصی هستند که می‌توانند هزاران مایل بالای اقیانوس بدون نیاز به فرود و استراحت، بر جریان هوا سوار شوند. درهم تنیدگی پروازهای پویا با فناوری هوافضا به این معنی است که هواپیماهای بادبانی می‌توانند روزها یا حتی ماه‌ها بدون سوخت یا موتور پرواز کنند و به مکان‌هایی بروند که مأموریت‌های قبلی ناسا هرگز قادر به کاوش در آن‌ها نبوده‌اند.

تیم Mars Sailplane همچنین قصد دارد سفینه را طوری مهندسی کند که کاملاً خودمختار باشد، با توجه به اینکه آنها باید بتوانند تغییرات جوی را رصد کرده و سریعاً برای سرگردانی خود را تنظیم کنند. بوسکلا و همکارانش قبلاً یک الگوریتم کامپیوتری برای انجام این کار روی زمین طراحی کرده‌اند، اما اگر قرار است هواپیمای بادبانی در آنجا زنده بماند، باید به مریخ تغییر یابد. بوسکلا می‌گوید: «این باید یک  کد در آنجا باشد که باد را رصد می‌کند، باد را ثبت می‌کند، باد را نقشه‌برداری می‌کند و سپس یک مسیر بهینه را در آن پیدا می‌کند. هواپیماهای بادبانی نه تنها در مصرف انرژی صرفه جویی می‌کنند، بلکه در هزینه ها نیز صرفه جویی می‌کنند. تولید این صنایع دستی عموماً ارزان، سبک وزن و به دلیل باد شدن، به اندازه کافی کوچک هستند تا در جعبه کفش قرار گیرند. جکان تانگا، دانشیار مهندسی هوافضا و مکانیک در دانشگاه آریزونا، می‌گوید این امکان وجود دارد که روزی آنها به عنوان محموله ثانویه در مأموریت‌های پرچمدار آینده مریخ مستقر شوند - یا حتی در ناوگان CubeSats بسته بندی شوند. چنین فرآیند توسعه آسانی مطمئناً تولید انبوه را به یک ایده قانع کننده تبدیل می کند.

اما این پروژه موانعی در طراحی و تولید دارد که باید قبل از اینکه هر آژانس فضایی به آن چراغ سبز نشان دهد، بر آن غلبه کرد. یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های تیم، تعیین نحوه ورود و فرود این وسیله به جو مریخ است. هنگامی که کشتی در نهایت روی سطح سیاره سرخ فرود آمد، متأسفانه زمان پرواز هواپیمای بادبانی به پایان خواهد رسید. اما در حالی که زمین است، هنوز هم می توان از آن استفاده کرد. در حال حاضر، تیم تصور می کند که هواپیمای بادبانی به عنوان یک ایستگاه هواشناسی "زندگی دوم" خواهد داشت. از آنجایی که این کشتی مجهز به دوربین‌ها و حسگرهای دما، فشار و گاز است، به مشاهده و ثبت داده‌های جوی از محل دوردست خود ادامه می‌دهد. در نهایت، با تعداد کافی هواپیماهای بادبانی و اطلاعاتی که آنها ارسال می‌کنند می‌تواند برای ایجاد مدل‌های عددی بهتری از سیستم‌های آب‌وهوای مرموز مریخ استفاده شود.

الکساندر کلینگ، دانشمند تحقیقاتی ناسا و یکی از نویسندگان این مطالعه، می‌گوید: «ما اطلاعاتی درباره جو مریخ داریم، اما ... کافی نیست. بنابراین هدف از این ماموریت کسب اطلاعات بیشتر در مورد محیط زیست است. هنگامی که این فناوری حتی بیشتر توسعه پیدا کرد، تانگا خاطرنشان می‌کند که «اکوسیستم کامل وسایل نقلیه پرنده» می‌تواند مکان‌هایی مانند گرند کنیون مریخ و همچنین مناطق آتشفشانی و ارتفاعات سیاره را با دقت بیشتری کاوش کند. تا آن زمان، پروژه هواپیمای بادبانی هنوز در مرحله اولیه است، اما می‌تواند با بودجه مناسب برای ماموریت فضایی در دو یا سه سال آینده آماده شود.

در همین حال، تیم قصد دارد به زودی این فضاپیما را در اینجا روی زمین آزمایش کند: اواخر تابستان امسال، مهندسان مدل‌ها را به یک فرودگاه خواهند برد و آنها را تا ارتفاع 15000 فوتی در هوا پرواز می‌کنند، جایی از مریخ که شرایط مانند شرایط وزش باد بر روی زمین است. هنوز چیزهای زیادی برای یادگیری وجود دارد تا اینکه نمونه‌های اولیه این هواپیماهای بادبانی برای پرواز در آسمان مریخ آماده شوند، اما همانطور که کلینگ تاکید می‌کند، ریسک بالا پاداش بالایی را نیز  به همراه دارد.