Запознайте се с Ingenuity: Високотехнологичният хеликоптер, проектиран да лети на Марс

Когато НАСА изстреля марсохода Perseverance на пътуването си до Марс тази седмица, той ще има спътник, прибран до него в Носовият конус на ракетата Atlas V: хеликоптер, наречен Ingenuity, който е настроен да стане първият роторкрафт, летял някога на друг планета. Този експериментален миниатюрен хеликоптер може да открие изцяло нова област на изследване на Марс, докато изследва планетата от въздуха.

Но ако смятате, че е трудно да се проектира наземно превозно средство, което да маневрира около планета, отдалечена на стотици милиони мили, представете си да опитате да проектираме хеликоптер, който може да лети в атмосфера, толкова тънка, че едва е там, при минусови температури, докато навигирате автономно.

Разговаряхме с водещ инженер и старши учен по проекта Ingenuity в лабораторията за реактивни двигатели на НАСА, за да разберем как са го направили и как може да изглежда бъдещето на изследването на Марс.

Безпрецедентно предизвикателство

Изграждането на хеликоптер, който може да лети на друга планета, идва с множество предизвикателства, най-належащото от които е как да накараш нещо да остане във въздуха, когато атмосферата е толкова разредена. Атмосферата на Марс е само около 1% от плътността на атмосферата на Земята, което е еквивалентно на надморска височина от 100 000 фута. За да демонстрира колко труден това прави полета, рекордът за надморска височина за полет с хеликоптер на Земята е малко над 40 000 фута.

Хеликоптерите работят, като движат въздуха много бързо с помощта на въртящи се перки, които избутват въздуха надолу и създават повдигане. Но на Марс разреденият въздух предлага много малко повдигане, дори когато се движи с остриета. Въпреки че дизайнерите получиха известна помощ от факта, че гравитацията е по-ниска на Марс, малко над една трета от силата на гравитацията на Земята, все още съществува значителният проблем да се направи кораб, който да може да се поддържа само с тънка атмосфера, за да работи с.

„Решението на този проблем е ниската маса“, каза Джош Равич, ръководител на машинното инженерство за Ingenuity, пред Digital Trends, „което беше като цяло най-трудното предизвикателство от цялата мисия, да поддържаме масата ниска. Целият хеликоптер трябваше да тежи под 4 паунда (1.8 килограми), което наложи използването на внимателно подбрани материали, а основното шаси е много малко, като куб от 14 см (5,5 инча) в размер.

А проблемът с теглото постави ограничения и върху други аспекти на занаята: „Трябва да балансираме между това как колко енергия можете да носите под формата на батерии, за да управлявате превозното средство, и колко големи могат да бъдат вашите ножове“, Равич казах. Батериите са необходими, тъй като енергията се събира с помощта на слънчев панел в горната част на автомобила, който му позволява да се зарежда автономно.

Перките на хеликоптера трябва да са големи - те имат обхват от малко под 4 фута (1,2 метра) - за да осигурят достатъчно повдигане, за да може превозното средство да лети. За да направи остриета, които са достатъчно големи и достатъчно леки, екипът използва нови материали, включително композити, подобни на въглеродни влакна. Има общо четири лопатки, подредени в два ротора, всеки от които се върти с до 2400 оборота в минута, много по-бързо от приблизително 500 оборота в минута, типична за перките на хеликоптера на Земята.

Проблемът със студа

Друг проблем, който се нуждаеше от материални иновации, беше проблемът с повърхностната температура, която може да падне до минус 100 градуса по Фаренхайт през нощта. Когато е толкова студено, електронните системи не работят надеждно и автомобилът трябва да използва ценна енергия, за да остане топъл. Така екипът на Ingenuity излезе с решение, използвайки тънки слоеве изолация около деликатните електронни компоненти на автомобила.

„Обикновено бихте решили това, като поставите много дебела изолация там, но изолацията е доста тежка“, каза Равич. „Така че в крайна сметка използвахме част от самата атмосфера, точно както патица или гъска биха имали слой изолация под перата си, ние използваме газа от атмосферата на Марс. Ако използвате достатъчно тънки термо одеяла, можете да получите малко изолация.

Един последен усложняващ проблем, причинен от студа, е проблемът с това как овлажняващите материали реагират на ниски температури. „Повечето хеликоптери на Земята имат физически еластични амортисьори, които повдигат тежестта, идваща в централната главина на хеликоптера“, каза той. Тези амортисьори абсорбират значителните вибрации, причинени от перките, въртящи се с много високи скорости. „Но те не работят толкова добре при температури на Марс, така че трябваше да направим много дизайн, за да направим това да работи като по-твърда система.“

Автономен изследовател

Не е възможно директно да се лети с хеликоптера от Земята поради забавянето на комуникацията от няколко минути между тук и Марс. Вместо това Ingenuity ще бъде предимно автономен, използвайки своите сензори, за да открива околната среда около себе си и да се движи съответно.

За тази задача той ще използва бордови инструменти, включително навигационна камера, лазерен алтиметър и жироскопен пакет за акселерометър, наречен инерционна измервателна единица (IMU). Използвайки тези инструменти, корабът може да определи накъде се е насочил и колко далеч е от земята. Той дори може да открива някои опасности, за да избегне потенциални препятствия по пътя си.

Това означава, че техниците на земята дават на кораба полетен план и след това Ingenuity може да го изпълни, както обясни Равич: „Начинът, по който се управлява хеликоптерът, е, че ние въведете план на полета, основно траектория на полета, казвайки „завъртете перките толкова дълго, прелетете до тук, обърнете се, прелетете тук“… и след това Ingenuity прави тази последователност чрез себе си.”

Хеликоптерът трябва да остане в обхвата на комуникация с марсохода, който е приблизително един километър, и в идеалния случай трябва да има пряка видимост. Но освен това Ingenuity може да работи независимо и може да зарежда, излита и каца без никаква подкрепа от марсохода. Планът е хеликоптерът да се справя с едно предизвикателство в даден момент, за да се види колко е способен да маневрира около планетата.

„Ще изпълняваме серия от все по-сложни мисии“, каза Равич. „Номинално мисията е от един до три полета, но може да бъде до пет полета в зависимост от това как вървят нещата… Всеки полет ще бъде малко по-сложен. Първият, ще се издигнем, ще кръжим наоколо, ще кацнем. Вторият може да се издигне, да се обърне, може би да се помръдне малко, след това да се върне и да кацне. Към края, ако нещата вървят добре, може да решат да се издигнат, да отлетят по този начин и да намерят ново място за кацане и да го запазят като следваща база за операции.

Доказване на концепцията

Ingenuity не е предназначена като научна мисия, така че няма да събира научни данни - въпреки че експертите се надяват, че ще могат да използват част от данните, които събира. Целта на мисията е да демонстрира, че е технологично осъществимо да се лети с роторкрафт на друга планета и да се съберат инженерни данни, за да се помогне при проектирането на бъдещи хеликоптери на Марс.

Това означава, че има известна степен на гъвкавост в това как корабът може да се движи, тъй като няма нужда да маневрира до точно място на повърхността. Корабът вероятно ще остане на няколкостотин ярда от марсохода Perseverance, така че да може да се позиционира спрямо него. „До известна степен не мисля, че има голямо значение колко сме прецизни, докато летим – хеликоптерът ще знае точно къде си мисли, че е“, каза Равич. „От по-високо ниво няма голямо значение дали е 10 фута насам или 10 фута натам, когато кацне – стига да кацне безопасно.“

Помощ от въздуха

Ако концепцията Ingenuity работи на практика, както се очаква, хеликоптерите биха могли да осигурят безценно помощ за бъдещи мисии на марсоход, правене на снимки на повърхността и ускоряване на изследването и много други точен.

Мат Голомбек, ветеран от научните мисии на Марс, който се специализира в избора на места за кацане на Марс и който беше главният изследовател за първото предложение за хеликоптера на Марс, обясни на Digital Trends как хеликоптерите могат да бъдат полезни за бъдещо изследване операции.

Попълване на празнината в разделителната способност

Една от най-ценните задачи, които бъдещите хеликоптерни мисии биха могли да изпълняват, ще бъде заснемането на снимки с висока разделителна способност, за да се запълни това, което е известно като „пропуск в разделителната способност“ на изображенията на повърхността на Марс. Това се отнася до „разликата между изображенията с най-висока разделителна способност, които имаме от орбита, които са около 25 сантиметра (около 10 инча) на пиксел и се наричат HiRISE изображения, в сравнение с това, което можете да видите на земята в предишни мисии на марсоход, където нашата разделителна способност е нещо по-близо до 3 сантиметра на пиксел“, каза Голомбек. "Това е около порядък."

Въпреки че изображенията с висока разделителна способност на повърхността на планетата, направени с помощта на инструмента HiRISE, са невероятно детайлни, като се има предвид, че са заснети от орбита, те не са достатъчно подробни, за да покажат структурни характеристики на земята, като разкрития, или да идентифицират области от научен интерес, като конкретни скали, за да посещение. Така че марсоходите трябва да изследват района, в който кацат, за да намерят скали или други елементи, които са научно интересни за изследване.

Хеликоптер може да се използва като разузнавач за мисии на марсоход, като прави изображения, които са по-подробни от тези, които са възможни от орбита. Тези изображения могат да се използват за идентифициране на области от особен научен интерес, така че екипът да може да изпрати марсохода точно до най-ценните цели за изследване.

Разширяване на зоните на покритие на марсоходите

Едно нещо, което може да не осъзнаете за мисиите на марсохода е колко малка площ покрива всеки марсоход, тъй като те имат ограничена мощност за работа и всяко движение, което правят, трябва да бъде внимателно планирано. Perseverance, например, ще измине между 3 и 12 мили (5 и 20 километра) по време на основната си мисия. А най-далечният марсоход на планетата, Opportunity, измина невероятните 28 мили (45 километра) за своя 14-годишен живот. Колкото и впечатляващо да е това за марсоход, изследващ далечна планета, тези разстояния представляват само малка част от общата повърхност на Марс.

Например на роувър може да са необходими седмици, за да измине километър. Докато Ingenuity може да измине до един километър само за 90 секунди, въпреки че екипът не планира да управлява хеликоптера с толкова високи скорости при първата си мисия. Но бъдещите хеликоптери биха могли да изследват много по-голяма площ от планетата и изображенията, които заснемат, биха били безценни за поставяне на откритията на роувъра в по-широк контекст. Такива изображения ще помогнат на учените да разберат глобалната геология на планетата и ще им кажат дали областите, изследвани от марсохода, са представителни за по-голямата марсианска среда.

Хеликоптерът може също да помогне за разширяване на зоната на изследване чрез значително намаляване на времето, необходимо на роувърите да се движат около повърхността. Понастоящем маршрутите за движение на марсоходите се определят с помощта на наличните изображения с най-висока разделителна способност, но тези изображения не винаги показват препятствия или опасности, така че шофьорите трябва да се движат бавно и внимателно.

„Обикновено максималното разстояние, което роувърите изминават на ден, е 60 до 100 метра“, каза Голомбек. „Но ако разполагате с тази информация с висока разделителна способност, това ще ви каже конкретно къде е безопасното шофиране пътищата бяха, можете да удвоите или утроите това лесно и по този начин да стигнете до местоназначението си много по-бързо.

Намиране на място за кацане

Преди роувър да може да изследва обаче, той трябва да кацне. И процесът на избор на място за кацане също може да се възползва от въздушна поддръжка.

„Изборът на място за кацане е комбинация от характеризиране на това колко безопасна е повърхността за кацане с космическия кораб, който сте проектирали и построили – спускаемите апарати не обичат да има големи камъни под тях, които биха могли да ги забият или преобърнат, стръмните склонове обикновено не са добро нещо и зони, които са много пухкави, в които може да потънете, са лош избор – така че има цял набор от това, което наричаме инженерни ограничения,“ - каза Голомбек.

Тези инженерни ограничения също се усложняват от тънката атмосфера на Марс, тъй като това затруднява превозните средства да се забавят с парашути, докато идват за кацане. Така че екипът трябва да вземе предвид и надморската височина на мястото за кацане, за да гарантира, че превозното средство може да кацне там безопасно.

„И тогава имате научни цели, които се основават на полезния товар, който носите, и на научните цели на мисията – нещата, които искате да научите и разберете за Марс“, продължи той На. „И вие трябва да претеглите всички тези заедно, за да излезете с място [за кацане], което е едновременно безопасно и научно интересно за тази конкретна мисия.“

Хората, които избират места за кацане, като Голомбек, разчитат до голяма степен на изображения, направени от орбита, за да озадачават кои сайтове ще отговарят на тези критерии. И най-малките отклонения от очакваното могат да причинят проблеми, като тези, които има спускаемият апарат InSight, който кацна на Марс през 2018 г. Екипът на InSight успя да намери място, което беше подходящо плоско и без скали, и техните прогнози за материалите, които изграждат повърхността, бяха напълно точни. Въпреки това, почвата под повърхността на мястото, където седи спускаемият модул, се оказа малко по-различна от очакваното, тъй като беше уплътнена в по-твърд материал, наречен duracrust. И това е причинило много проблеми в опитите заровете топлинната сонда на спускаемия модул под повърхността.

„Винаги има неяснота в орбиталните данни, които използвате, за да заключите какво наистина има на повърхността“, каза Голомбек. „Като цяло, за избора на място за кацане бяхме много добри в измерването и характеризирането на инженерните ограничения - скалата изобилието и склоновете и така нататък - най-вече защото изображенията на HiRISE са с достатъчно висока разделителна способност, за да видите големи скали и да измерите склонове. Но бяхме малко по-малко точни в разбирането на това, което бих нарекъл геоложка обстановка. Тоест как се е появила тази област, какви са били основните геоложки сили, които са я оформили. Това беше по-трудно.“

Тъй като изображенията, получени от орбита, имат ограничена разделителна способност, е трудно да се видят видовете детайли които са необходими за най-точното идентифициране на цели от научен интерес, като конкретни седименти скали. Наличието на изображения с много по-висока разделителна способност като тези, които могат да бъдат заснети от хеликоптер, би било безценно избиране на места за кацане, които са едновременно безопасни за превозните средства и увеличават максимално шансовете за извършване на важни научни изследвания находки.

Хеликоптерите дори биха могли да носят различни видове инструменти, като проникващ в земята радар, който може да каже на учените директно какво се крие под повърхността на Марс.

Свързани:Земнопроникващ радар за бетон

Лов за живот отгоре

Хеликоптерите обаче могат да се използват за нещо повече от подкрепа на други мисии. Такава машина потенциално може да бъде оборудвана с всякакъв вид камера, като радар, инфрачервени или термични изображения, които могат да разкрият състава и минералогията на марсианската земя.

Това е важно, тъй като тези инструменти могат да идентифицират определени минерали, като глина, които се образуват, когато има вода. Областите с висока плътност на тези глинести минерали са ключови цели за изследване дали има може някога да е имало живот на Марс.

Някои от най-интересните цели за изследване на учените са скалите или стръмните скали, образувани от ерозия, тъй като те разкриват слоевете скали, които са били положени с времето. Разглеждането на тези слоеве е като връщане назад в марсианската история. Въпреки това, тъй като са стръмни и скалисти, тези зони са трудни за изследване от роувърите и те трябва да продължат много внимателно. Марсоходът Opportunity, например, прекара цяла година в внимателно шофиране около ръба на един такъв склон да го изобрази, докато „тези видове изображения можеха да бъдат получени за няколко дни от хеликоптер“, Голомбек казах.

На въпрос дали има конкретно място на Марс, което той лично би искал да изследва с хеликоптери, Голомбек се засмя. "Има стотици - хиляди!" той каза. „Повърхността на Марс е подобна на откритата повърхност над водата на Земята. Помислете за разликите между Гранд Каньон и Хималаите, между крайбрежните зони и вътрешността. Има толкова много различни места, които биха ви разказали интересни неща.“

Инструменти в кутията с инструменти на Марс

И двамата експерти се съгласиха, че бъдещето на изследването на Марс не е въпрос нито на хеликоптери, нито на роувъри, а по-скоро на използване и на двете според изискванията за различни задачи.

„Аз съм инженер по душа, така че за мен всички те са инструменти в кутията с инструменти“, каза Равич. „За атмосферни тела като Марс ще има силни аргументи, че летателното превозно средство е отговорът за всичко, което искате да направите. Ако искате да слезете в голяма дупка като каньон или ако искате да изкачите планина, това ще бъде най-добрият отговор. Но винаги има ограничение за това, което можем да носим – ето защо птиците са толкова леки, а слоновете не са – така че винаги ще можете да правите повече наука и да носите повече с [наземно] превозно средство.“

Нуждата от множество видове превозни средства става още по-ясна, когато хората навлизат в картината, когато планират бъдещи пилотирани мисии до Марс. „Вероятно ще имаме нужда и от двете“, каза Равич. „Ако погледнете хората днес, ние взаимодействаме с наземни и въздушни превозни средства и не виждам това да се променя.“

Препоръки на редакторите

• Космологично пътуване: сложната логистика на изпращането на хора на Марс
• Изкуствена атмосфера: Как ще изградим база с годен за дишане въздух на Марс
• 7 минути ужас: Разбивка на безумната последователност от кацане на Марс на Perseverance
• Марсианският прах е голям проблем за астронавтите. Ето как НАСА се бори с това
• Как Perseverance Rover на НАСА ще търси живот на Марс