Zadaniem w konkursie studenckim, organizowanym przez Mars Society South Asia, było zaprojektowanie bezzałogowego statku powietrznego z pełnym wyposażeniem, gotowego do działań na Marsie.

"Wykorzystanie bezzałogowych statków latających do eksploracji kosmosu otwiera przed nami ogromne możliwości. Organizatorzy konkursu zachęcają studentów do innowacyjnego myślenia, przełamywania barier i otwierania umysłu na nowe perspektywy. Niedawny lot Ingenuity udowodnił, że lot na Marsie jest możliwy, co pozwoliło na zupełnie nowe podejście do eksploracji obcych planet" - mówi lider projektu Hubert Gross.

Jak wyjaśniają laureaci, proces projektowania drona latającego nad powierzchnią Marsa różni się od tworzenia ziemskich statków powietrznych. Skład chemiczny atmosfery Marsa prędkość wiatru, ciśnienie, grawitacja, temperatura, pył i topografia są inne niż na Ziemi. Wpływa to na mobilność statku powietrznego, jego aerodynamikę (w tym wydajność steru, profile skrzydeł i śmigieł), parametry fizyczne, siły oporu, siłę nośną. Elektronika jest narażona na ekstremalne temperatury i promieniowanie. Sprzęt musi być odporny na drobny pył, projekt musi uwzględniać trudną do analizy topografię terenu i wiele innych czynników.

"Analiza aerodynamiczna została przeprowadzona z uwzględnieniem wielu szczegółów. Najważniejszym elementem było dopasowanie geometrii płata oraz profilu umożliwiającego uzyskanie jak najlepszych charakterystyk nośnych przy panujących w marsjańskiej atmosferze niskich liczbach Reynoldsa" - podkreśla Yurii Kravets odpowiedzialny za analizy aerodynamiczne.

Podczas projektowania drona konieczne było wykonanie rekonesansu wraz ze zdjęciem z wykorzystaniem metod fotogrametrycznych. Należało przeprowadzić misję logistyczną, która polegała na transporcie paczki oraz przeprowadzenie analizy atmosfery marsjańskiej wraz z pomiarami obecności gazów, wilgotności i temperatury we wskazanym miejscu.

"Najtrudniejszym zadaniem podczas projektowania była optymalizacja masowa zaproponowanych przez nas rozwiązań. Mechanizm chwytania paczki został wykonany z cienkich arkuszy wytrzymałego tytanu, dla którego przeprowadzono analizę MES, by upewnić się, że nie uszkodzi podczas wywierania nacisku na paczkę" - mówią konstruktorzy mechanizmu Adam Szelec i Rafał Żytniak.

Innowację stanowiło użycie plazmowych wzbudników do sterowania przepływem wzdłuż krawędzi natarcia oraz krawędzi spływu. Układ składa się z trzech elektrod oddzielonych materiałem, który nie przewodzi prądu. Elektrody są przesunięte względem siebie w kierunku przepływu. Jest to tzw. układ MEE (ang. multiple encapsulated electrode), w którym pierwsza elektroda znajduje się na powierzchni płata, druga elektroda tuż pod powierzchnią w kierunku przepływu, a ostatnia (o największej powierzchni) - na dolnej warstwie materiału dielektrycznego. Pod wpływem wysokiego napięcia na powierzchni profilu za odsłoniętą elektrodą tworzy się obszar zjonizowanego gazu, następnie jony przyśpieszają w kierunku przepływu (dzięki elektrodom pod powierzchnią), zmieniając rozkład prędkości w warstwie przyściennej. W efekcie, przesuwają punkt przejścia laminarno-turbulentnego w kierunku krawędzi spływu.

W obliczeniach studenci uwzględnili większą masę molową powietrza i mniejszą grawitację oraz oszacowali, że rozwiązanie przy liczbie Reynoldsa na poziomie 15000 pozwoliłoby w najkorzystniejszym przypadku zwiększyć siłę nośną nawet o 100 proc. przy zużyciu mocy na poziomie 0,5 W/m.

"Badania wskazują, że ich użycie jest bardzo korzystne w obszarze niskich liczb Reynoldsa, które uzyskujemy na Marsie. Istnieje możliwość wykorzystania plazmowych wzbudników w niskim ciśnieniu o wartości 1 kPa, a w otoczeniu złożonym wyłącznie z CO2, są to warunki bardzo zbliżone do tych panujących na Marsie" – podkreśla Kamil Ziółkowski, elektronik.

Rzeszowscy studenci z Legendary Rover Team po raz pierwszy wzięli udział w konkursie. W skład zespołu weszli studenci Wydziału Budowy Maszyn i Lotnictwa oraz Wydziału Elektrotechniki i Informatyki. Liderem projektu był Hubert Gross (kierunek lotnictwo i kosmonautyka). Za analizy aerodynamiczne odpowiadali Yurii Kravets (kierunek lotnictwo i kosmonautyka) i Marcin Solarski (kierunek lotnictwo i kosmonautyka). Chwytak skonstruowali Adam Szelec (kierunek mechatronika), Rafał Żytniak (kierunek mechatronika) i Konrad Wąsacz (kierunek mechatronika). Strukturę płata i śmigła zaprojektowali Nikodem Drąg (kierunek mechanika i budowa maszyn) i Konrad Kij (kierunek mechatronika). Specjaliści od elektroniki to: Michał Słomiany (kierunek lotnictwo i kosmonautyka), Kamil Ziółkowski (kierunek lotnictwo i kosmonautyka), Aleksandra Wanat (kierunek elektronika i telekomunikacja) i Dominik Pyjor (kierunek automatyka i robotyka).

Legendary Rover Team zajmuje się konstruowaniem łazików marsjańskich. Dotychczas ich największym sukcesem było dwukrotne zdobycie pierwszego miejsca podczas prestiżowych międzynarodowych zawodów University Rover Challenge odbywających się w Utah, USA. Członkowie zespołu planują wziąć udział w kolejnych edycjach konkursu IPAS Challenge oraz w wyzwaniach związanych z branżą kosmiczną.

Zespół przekazał nagrodę pieniężną na walkę z pandemią COVID-19 w Indiach. Kwota wygranej została dostarczona przez organizatorów na PM Cares Fund.

PAP - Nauka w Polsce

kol/ zan/