Mars’ı keşfetmek ne kadar iyi bir fikir ise bunu bir helikopter ile yapmak çok daha ilginç bir fikir. Evet bu NASA’nın 2020 yılında gerçekleştirmeyi düşündüğü bir plan.
1980’lerde Sovyetler Birliği Venüs’ün atmosferine iki balon fırlatmıştı.
O günden bu yana hiç bir hava aracı bir gezegenden diğerine doğru yola çıkmadı. Eğer plan gerçekleşirse NASA ilk defa bir gezegene doğrudan ‘havadan daha ağır’ bir araç göndermiş olacak.
Bahsettiğimiz helikopter, insansız hava aracı görünümünde, bir beyzbol topu büyüklüğünde ve 1,8 kg ağırlığında koaksiyel yani eş eksenli türden. Helikopter, ihtiyacı olan gücü kendisi üretecek ve günde sadece birkaç dakika uçacak. Helikopterin bu projedeki temel artısı, onu götürecek aracın önünden gidip, havalanabilecek ve tarihe geçecek fotoğraflar yakalayabilecek. Böylece Mars’a dair arazinin ayrıntıları konusunda çok daha geniş bir perspektif yakalanacak.
Bu havalı Mars görevini gerçekleştirecek helikopter ile ilgili bazı fizik kurallarının üzerinden geçmemiz gerek. İşte uçan robot ile ilgili bazı soru ve cevaplar.
Neden kuyruk rotoru yok?
Mars helikopteri bizim bildiğimi geleneksel helikopterler gibi değil. Bizim dünya üzerinde kullandığımız helikopterlerde; gövdenin üzerinde bulunan birbirine zıt yönde eğimli konumlandırılmış iki palden oluşan ana rotor ve kuyruk kısmında akıma dik olarak yerleştirilen kuyruk rotoru bulunuyor. Kuyruk rotorunun görevi, ana rotorun dönüşü nedeniyle meydana gelen tork ile ortaya çıkan açısal momentumdaki değişimi engellemek.
Kuyruk rotoru olmazsa, helikopter kontrolden çıkar, kendi ekseni etrafında dönerek yere çakılır.
Mars’a gidecek Koaksiyel helikopterde iki tane zıt yönde dönen eş merkezli pervane var. İki pervane zıt yönlerde döndüğü için, toplam açısal momentum sıfır oluyor ve ekstra bir kuyruk rotoruna gerek kalmıyor.
Kuyruk rotorundan kurtulmak size yer kazandırır. Koaksiyel rotor kullanarak daha küçük bir helikopter yapabilirsiniz. Daha küçük bir helikopter ise sınırlı alanlarda yapacağınız bir görev için çok daha işlevseldir. Böyle bir görev için büyük bir helikoptere sahip olmak, aşırı dolu büyük boy valizi ,uçakta baş üstü dolabına sığdırmaya çalışmak gibidir.
Helikopter Mars’ta Nasıl Çalışacak?
Dünya ile Mars arasında helikopterin çalışması ve uçuş performansını yakından ilgilendiren iki büyük fark var. İlki Mars’taki atmosfer yoğunluğunun, Dünya’dakinin sadece yüzde 1’i kadar olması. İkincisi ise Mars’ta yer çekiminin Dünya’dakinin yüzde 38’i kadar oluşu.
Düşük atmosferik yoğunluk, bir helikopterin uçmasını zorlaştırır, ancak düşük yer çekimi daha kolay hale getirir.
Tabii burada asıl soru helikopterlerin nasıl uçtuğudur. Çok basit bir şekilde açıklamak gerekirse, Rotorlar helikopterin üstünden havayı alır ve bu havayı aşağıya doğru fırlatır. “Atılmış” havanın momentumda bir artış yaratması nedeniyle dikey yönde aerodinamik bir kaldırma kuvveti oluşur.
Aşağı doğru atılan “hava” nın oluşturduğu momentum, hıza ve kütleye bağlı. Hava kütlesinin değişme hızı, aslında, rotorların boyutuna ve havanın yoğunluğuna bağlı. Bu yüzden, bir helikopterden gelen itme kuvveti için şu yaklaşımı almak mümkün.
Tahmin edebilirsiniz ki
A, rotor alanıdır ve v, havanın aşağı itildiği hız.
Havanın yoğunluğu ρ ile temsil edilir.
Peki ya yerçekimi? Helikopterin havada kalması için itme kuvveti ağırlığa eşit olmalı; yükselmesi için ise yer çekimini yenmesi gerek.
Ağırlığı kütle (m) ve yer çekimi alanı (g) olarak hesaplayabiliriz.
Mars’ta Dünya’ya göre düşük yer çekiminden sağlanan yarar, hava yoğunluğu sebebiyle yaşanan kayıpla örtüşmüyor. Bu yüzden Mars’ta Dünya’daki kadar gezinmek imkansız.
Ayrıca, bu işlemlerin bir helikopterin oluşturacağı itme kuvveti için kaba bir hesaplama modeli olduğunu unutmayın. Yani kalkıp kendi insan taşıyan helikopterinizi inşa etmek için lütfen bu hesaplamayı kullanmayın!
Uçuş zamanı ne olacak?
NASA, Mars helikopterinin günde 2-3 dakika uçabileceğini söylüyor. Zamanın geri kalanında, aküyü şarj etmek için güneş panelleri görev yapacak. Peki, bu aracın ne kadar büyük bir pile ihtiyacı var? Pil boyutunu tahmin etmenin NASA’ya sormak dışında iki yolu var:
İlk yöntem, şarj süresini dikkate alıyor. Temel olarak, günün 2-3 dakikası haricinde araç tüm gün yeniden şarj olacak. Mars’ta, bir gün neredeyse bir Dünya günü ile aynı. Sadece 37 dakika daha uzun. Ama burada önemli olan günün toplam uzunluğundan ziyade güneş ışığı süresinin uzunluğu. Dünyadaki gibi, Mars’ta gün ışığının uzunluğu mevsimlerle değişiyor.
Biz, güneşin günde 10 saat görünür olduğu bir dönemi dikkate alalım.
Bir sonraki problem, güneş ışınlarının parlaklığının ne kadar olduğu. Gezegenin yüzeyine ulaşan ışıktaki gücün, birim alana oranından bahsediyorum. Dünya için bu, metrekare başına maksimum 1000 Watt iken. Mars’ta, metrekare başına yaklaşık 590 Watt. Ancak bu değerlerin maksimum olduğunu unutmamak gerek. Bir gün boyunca, güneşin konumu değiştiği için bu güç de değişiyor. Statik bir güneş paneline sahipseniz, ortalama ışınlanma çok daha küçük olacak.
O zaman basitçe, maksimum değerin yarısı yani metrekare başına 295 Watt üzerinden hesaplama yapalım. Güneş panelinin büyüklüğü, helikopter robotun küp kısmının büyüklüğü kadar olduğundan ve dairesel göründüğü için çapını 7 cm olarak kabul edelim. Bu büyüklükte panel ile güneşin parlaklığı, günün uzunluğu ve yüzde 25’lik bir verimle, yaklaşık 40.000 Joule enerji elde edebiliriz. Bu, iPhone X’in bataryasında depolanan enerjiye çok yakın.
