Концепции беспилотного самолета для исследования Марса

Авиационная и ракетно-космическая техника

2022. Т. 29. № 4. С. 104-115.

DOI: 10.34759/vst-2022-4-104-115

Авторы

Карпович Е. А.1*, Гуереш Д. 2**, Хан В. 2, Толкачев М. А.2

1. Корпорация «Иркут», Ленинградский проспект, 68, Москва, 125315, Россия
2. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Волоколамское шоссе, 4, Москва, A-80, ГСП-3, 125993, Россия

*e-mail: karpovichea@mai.ru
**e-mail: guaero.tech@gmail.com

Аннотация

Проанализированы результаты существующих исследований, связанных с проектами беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) самолетного типа для исследования Марса. Облик самолета, предназначенного для полета в атмосфере Марса, определяется специфическими условиями на Марсе: низкая плотность атмосферы, малая скорость звука, большие перепады температуры, малые числа Рейнольдса, мощные пыльные бури. Все научные задачи марсианского БПЛА должны быть выполнены за один полет, либо это должен быть конвертоплан с вертикальным взлетом и посадкой. БПЛА должен быть доставлен на Марс, и необходимость защиты от космического излучения в течение восьми месяцев полета до Марса оказывает влияние на его конструкцию и весовые характеристики, следовательно, и на аэродинамическую компоновку. Научная миссия БПЛА, определяющая широту, долготу, высоту и время года полета, также является важным фактором при оптимизации внешнего облика самолета. Выявленные «типовые» решения при проектировании марсианского БПЛА, а также представленные статистические данные о предыдущих проектах могут быть полезны для работы над перспективными научными БПЛА для исследования Марса.

Ключевые слова:

БПЛА для исследования Марса, аэродинамические профили для низких чисел Рейнольдса, аэродинамическая компоновка марсианского самолета

Библиографический список

  1. von Ehrenfried M. Perseverance and the Mars 2020 Mission. Follow the Science to Jezero Crater. — 1st ed., Springer, 2022. — 276 p.
  2. Reed R.D. High-flying Mini-sniffer RPV-Mars Bound // Astronautics and Aeronautics. 1978. Vol. 16,
    pp. 26-39.
  3. Gasbarre J.F., Dillman R.A. Preliminary design and analysis of the ARES atmospheric flight vehicle thermal control system. — SAE Technical Paper 2003-01-2686, 2003. DOI: 10.4271/2003-01-2686
  4. A concept study of a remotely piloted vehicle for Mars exploration. — Contractor Report NASA-CR-157942, 2013.
  5. Walker D.D. Preliminary Design, Flight Simulation, and Task Evaluation of a Mars Airplane. — University of Tennessee: Knoxville, TN, USA, 2008.
  6. Kearns J., Usui M., Smith S. et al. Development of UV-Curable Inflatable Wings for Low-Density Flight Applications // 45thAIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics & Materials Conference (19-22 April 2004; Palm Springs, California). DOI: 10.2514/6.2004-1503
  7. Jacob J., Lumpp J., Smith S., Smith W. Multidisciplinary Design Experience of a High Altitude Inflatable Wing UAV for Aerospace Workforce Development // 44thAIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (09-12 January 2006; Reno, Nevada). DOI: 10.2514/6.2006-93
  8. Clarke V., Kerem Jr.A., Lewis R. A Mars Airplane... Oh really? // 17thAerospace Sciences Meeting
    (15-17 January 1979, New Orleans, LA, USA). DOI: 10.2514/6.1979-67
  9. Bar-Cohen Y., Colozza A.J., Badescu M. et al. Biomimetic Flying Swarm of Entomopters for Mars Extreme Terrain Science Investigations // Concepts and Approaches for Mars Exploration (12-14 June 2012; Houston, Texas).
  10. Colozza A. Planetary Exploration Using Biomimetics. An Entomopter for Flight on Mars. — Phase II Final Report NAS5-98051, 2002.
  11. Dhanji N., Nahon M., Dupuis E. Method for Evaluating Various Aerial Platforms for Mars Applications // SpaceOps 2006 Conference (19-23 June 2006; Rome, Italy). DOI: 10.2514/6.2006-5554
  12. Aguirre J., Casado V., Chamie N., Zha, G.C. Mars Intelligent Reconaissance Aerial and Ground Explorer (MIRAGE) // 45thAIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (08-11 January 2007; Reno, Nevada). DOI: 10.2514/6.2007-244
  13. Justus C.G., Johnson D.L. Mars Global Reference Atmospheric Model 2001 Version (Mars-GRAM 2001): Users Guide. — Technical Reports NASA/ TM-2001-210961.
  14. International Standard Atmosphere (ISA), https://en.wikipedia.org/wiki/International_Standard_ Atmosphere
  15. Anyoji M., Hamada D. High-performance airfoil with low reynolds-number dependence on aerodynamic characteristics // Fluid Mechanics Research International Journal. 2019. Vol. 3. No. 2, pp. 76-80. DOI: 10.15406/fmrij.2019.03.00055
  16. Colozza A. Preliminary design of a long-endurance Mars aircraft // 26th Joint Propulsion Conference
    (16-18 July 1990; Orlando, FL, USA). DOI: 10.2514/6.1990-2000
  17. Smith S., Hahn A., Johnson W. et al. The design of the Canyon Flyer, an airplane for Mars exploration // 38th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (10-13 January 2000; Reno, NV, USA). DOI: 10.2514/6.2000-514
  18. Euroavia students design Martian aerial vehicle, 2006, http://www.esa.int/Our_Activities/Human_ Spaceflight/Exploration/Euroavia_students_ design_Martian_aerial_vehicle/(print)
  19. NASA Mini-Sniffer, https://en.wikipedia.org/wiki/NASA_Mini-Sniffer
  20. Colozza A. Effect of power system technology and mission requirements on high altitude long endurance aircraft. Contractor Report NASA-CR-194455, 1994. URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/19940020718
  21. Benito J., Noyes C., Shotwell R.F. et al. Hybrid propulsion Mars Ascent Vehicle concept flight performance analysis // 2017 IEEE Aerospace Conference (4-11 March 2017; Big Sky, MT, USA). DOI: 10.1109/AERO.2017.7943964
  22. Peeters B., Mulder J.A., Kraft S. et al. A flapping winged aerobot for autonomous flight in mars atmosphere // European Planetary Science Congress (21–26 September 2008; Munster, Germany). EPSC2008-A-00396.
  23. Bluman J.E., Kang C.-K., Landrum D.B. et al. Marsbee — Can a Bee Fly on Mars? // 55th AIAA Aerospace Sciences Meeting (9-13 January 2017; Grapevine, Texas). DOI: 10.2514/6.2017-0328
  24. Malla R.B., Loo S.M., Liew L. et al. MAEV — Martian Airborne Exploration Vehicle. — Wichita State University, Department of Aerospace Engineering. — HEDS-UP Forum May 2000, https://www.lpi.usra.edu/publications/reports/CB-1063/WichitaState.pdf
  25. Noth A., Bouabdallah S., Michaud S. et al. Sky-Sailor Design of an Autonomous Solar Powered Martian Airplane. — Autonomous Systems Lab, Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne EPFL, 2004. URL: http://www.sky-sailor.ethz.ch/docs/Sky-Sailor-ASTRA2004_Noth_(4.10.2004).pdf
  26. Ёлкин К.С., Кущев В.Н., Манько А.С., Михайлов В.М. Расчет входа в атмосферу Марса десантного модуля проекта ЭкзоМарс // Вестник Московского авиационного института. 2014. Т. 21. № 4. С. 79-86.
  27. Jenkinson L.R., Marchman J.F. Aircraft Design Projects For Engineering Students. — American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2003. — 370 p.
  28. Hassanalian M., Rice D., Abdelkefi A. Evolution of space drones for planetary exploration: A review // Progress in Aerospace Sciences. 2018. Vol. 97, pp. 61–105. DOI: 10.1016/j.paerosci.2018.01.003
  29. Берников А.С., Богачев В.А., Михайлов Д.Н., Петров Ю.А., Сергеев Д.В. Исследование влияния марсианской пыли на функционирование раскрываемых элементов конструкций космического аппарата «ЭкзоМарс» после посадки // Вестник Московского авиационного института. 2021. Т. 28. № 4. С. 192-203. DOI: 10.34759/vst-2021-4-192-203
  30. Update on Opportunity Rover Recovery Efforts, 2018, https://www.nasa.gov/feature/update-on-opportunity-rover-recovery-efforts
  31. Song H., Underwood C. A Mars VTOL Aerobot — Preliminary Design, Dynamics and Control // 2007 IEEE Aerospace Conference (03-10 March 2007; Big Sky, MT, USA). DOI: 10.1109/aero.2007.352716
  32. Dhanji N.S., Dupuis E., Nahon M.A. Method for Evaluating Alternative Aerial Platforms for Mars Applications // AIAA 9th International Conference on Space Operation. 2006.
  33. Gudmundsson S. General Aviation Aircraft Design: Applied Methods and Procedures. — New York: Butterworth-Heinemann, 2013. — 1048 p.
  34. Liu T., Oyama A., Fujii K. Scaling Analysis of Propeller-Driven Aircraft for Mars Exploration // Journal of Aircraft. 2013. Vol. 50, pp. 1593–1604. DOI: 10.2514/1.C032086
  35. Koning W.J.F., Romander E.A., Johnson W. Low Reynolds Number Airfoil Evaluation for the Mars Helicopter Rotor. — NASA Report ARC-E-DAA-TN53889, 2018.
  36. Dе2sert T., Moschetta J., Bе2zard H. Aerodynamic Design of a Martian Micro Air Vehicle // 7thEuropean Conference for Aeronautics and Aerospace Sciences (2-6 July 2017; Milan, Italy). DOI: 10.13009/EUCASS2017-365
  37. Munday P.M., Taira K., Suwa T. et al. Nonlinear Lift on a Triangular Airfoil in Low-Reynolds-Number Compressible Flow // Journal of Aircraft. 2015.
    Vol. 52. No. 3, pp. 924–931. DOI: 10.2514/1.C032983
  38. Shrestha R.L., Benedict M., Hrishikeshavan V., Chopra I. Hover Performance of a Small-Scale Helicopter Rotor for Flying on Mars // Journal of Aircraft. 2016. Vol. 53. No. 4, pp. 1160–1167. DOI: 10.2514/1. C033621
  39. Dе2sert T., Moschetta J., Bе2zard H. Numerical and experimental investigation of an airfoil design for a Martian micro rotorcraft // International Journal of Micro Air Vehicles. 2018. Vol. 10. No. 3, pp. 262–589. DOI: 10.1177/1756829318794171
  40. Anyoji M., Nose K., Ida S. et al. Low Reynolds Number Airfoil Testing in a Mars Wind Tunnel // 40th Fluid Dynamics Conference and Exhibit (28 June — 01 July 2010; Chicago, Illinois). DOI: 10.2514/6.2010-4627

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2023