Seznamte se s Ingenuity: High-Tech helikoptérou navrženou k letu na Marsu

Když NASA tento týden vypustí vozítko Perseverance na cestu na Mars, bude mít vedle sebe v Nosní kužel rakety Atlas V: Helikoptéra s názvem Ingenuity, která se má stát vůbec prvním rotorovým letadlem, které bude létat na jiném planeta. Tato experimentální miniaturní helikoptéra by mohla otevřít zcela nové pole průzkumu Marsu, protože zkoumá planetu ze vzduchu.

Ale pokud si myslíte, že je těžké navrhnout pozemní vozidlo pro manévrování kolem planety stovky milionů mil daleko, představte si, že to zkusíte navrhnout helikoptéru, která může létat v atmosféře tak tenké, že tam sotva je, v mrazu při navigaci autonomně.

Mluvili jsme s vedoucím inženýrem a starším vědcem na projektu Ingenuity v laboratoři Jet Propulsion Lab NASA, abychom zjistili, jak to udělali a jak by mohla vypadat budoucnost průzkumu Marsu.

Bezprecedentní výzva

Stavba helikoptéry, která může létat na jiné planetě, přináší řadu výzev, z nichž nejnaléhavější je, jak přimět něco, aby zůstalo ve vzduchu, když je atmosféra tak řídká. Atmosféra Marsu má pouze asi 1 % hustoty atmosféry na Zemi, což odpovídá výšce 100 000 stop. Abychom demonstrovali, jak obtížné to činí let, výškový rekord pro let vrtulníkem na Zemi je něco málo přes 40 000 stop.

Vrtulníky pracují tak, že pohybují vzduchem velmi rychle pomocí rotujících lopatek, které tlačí vzduch dolů a vytvářejí vztlak. Ale na Marsu nabízí řídký vzduch velmi malý vztlak, i když se pohybuje lopatkami. Přestože konstruktéři získali určitou pomoc ze skutečnosti, že gravitace je na Marsu nižší, jen něco málo přes třetinu gravitační síly na Marsu. Země, stále existoval významný problém vyrobit plavidlo, které by fungovalo jen s řídkou atmosférou s.

„Řešením tohoto problému je nízká hmotnost,“ řekl pro Digital Trends Josh Ravich, vedoucí strojního inženýrství společnosti Ingenuity, „což byl celkově nejtěžší výzva celé mise, udržet hmotnost na nízké úrovni." Celý vrtulník musel vážit pod 4 libry (1,8 kilogramů), což vyžadovalo použití pečlivě vybraných materiálů, a hlavní šasi je velmi malé, má krychli 14 cm (5,5 palce) ve velikosti.

A problém s váhou omezuje i další aspekty plavidla: „Musíme najít rovnováhu mezi tím, jak kolik energie můžete nést ve formě baterií pro provoz vozidla a jak velké mohou být vaše nože,“ Ravich řekl. Baterie jsou potřeba, protože energie je shromažďována pomocí solárního panelu na horní straně vozidla, který umožňuje autonomní nabíjení.

Lopatky vrtulníku musí být velké – mají rozpětí těsně pod 4 stopy (1,2 metru) – aby zajistily dostatečný vztlak pro let vozidla. Aby byly lopatky dostatečně velké a zároveň lehké, použil tým nové materiály včetně kompozitů podobných uhlíkovým vláknům. Lopatky jsou celkem čtyři, uspořádané do dvou rotorů, z nichž každý se otáčí rychlostí až 2 400 otáček za minutu, což je mnohem vyšší rychlost, než je rychlost přibližně 500 otáček za minutu typická pro lopatky vrtulníků na Zemi.

Problém nachlazení

Dalším problémem, který vyžadoval materiálové inovace, byl problém povrchové teploty, která může v noci klesnout až na -100 stupňů Fahrenheita. Když je taková zima, elektronické systémy nefungují spolehlivě a vozidlo musí využívat drahocenný výkon, aby zůstalo v teple. Tým Ingenuity tedy přišel s řešením využívajícím tenké vrstvy izolace kolem jemných elektronických součástek vozidla.

"Normálně byste to vyřešili tak, že byste tam dali hodně silné izolace, ale izolace je docela těžká," řekl Ravich. "Takže jsme nakonec použili část atmosféry samotné, stejně jako kachna nebo husa mají pod peřím vrstvu izolace, používáme plyn z marťanské atmosféry." Pokud použijete dostatečně tenké tepelné přikrývky, můžete získat trochu izolace."

Posledním komplikujícím problémem způsobeným chladem je problém, jak tlumící materiály reagují na nízké teploty. "Většina vrtulníků na Zemi má fyzické elastické tlumiče, které zvednou váhu přicházející do centrálního náboje vrtulníku," řekl. Tyto tlumiče absorbují značné vibrace způsobené lopatkami rotujícími velmi vysokou rychlostí. "Ale ty nefungují tak dobře při teplotách Marsu, takže jsme museli udělat hodně designu, aby to fungovalo jako pevnější systém."

Autonomní průzkumník

Není možné přímo letět vrtulníkem ze Země kvůli komunikační prodlevě mezi zde a Marsem o několik minut. Místo toho bude Ingenuity většinou autonomní, bude pomocí svých senzorů detekovat prostředí kolem sebe a podle toho se bude pohybovat.

K tomuto úkolu využije palubní přístroje včetně navigační kamery, laserového výškoměru a akcelerometrového gyroskopu nazývaného inerciální měřicí jednotka (IMU). Pomocí těchto nástrojů může plavidlo zjistit, kam směřuje a jak daleko je od země. Dokáže dokonce detekovat nebezpečí, aby se vyhnul potenciálním překážkám v cestě.

To znamená, že technici na zemi dají plavidlu letový plán a pak ho Ingenuity může provést, jak vysvětlil Ravich: „Ve vrtulníku létáme tak, že zadejte letový plán, v podstatě dráhu letu, řekněte „točte lopatky tak dlouho, přeleťte sem, otočte se, přeleťte sem“… a pak Ingenuity provede tuto sekvenci sám."

Vrtulník musí zůstat v dosahu komunikace s roverem, což je přibližně jeden kilometr, a v ideálním případě by měl mít přímou viditelnost. Kromě toho může Ingenuity fungovat nezávisle a může se nabíjet, vzlétat a přistávat bez jakékoli podpory ze strany roveru. V plánu je, aby se vrtulník vypořádal s jednou výzvou po druhé, aby zjistil, jak je schopný manévrovat kolem planety.

"Poletíme řadou stále složitějších misí," řekl Ravich. "Nominálně je mise jeden až tři lety, ale může to být až pět letů v závislosti na tom, jak se věci vyvinou... Každý let bude trochu složitější." První, vstaneme, budeme se pohybovat kolem, přistaneme. Druhý by mohl vstát, otočit se, možná se trochu pohnout, pak se vrátit a přistát. Ke konci, pokud to půjde dobře, se mohou rozhodnout vstát, odletět tudy a najít nové místo pro přistání a ponechat si ho jako další operační základnu."

Dokazování konceptu

Ingenuity není zamýšlena jako vědecká mise, takže nebude shromažďovat vědecká data – ačkoli odborníci doufají, že budou moci využít některá data, která shromažďuje. Cílem mise je demonstrovat, že je technologicky proveditelné létat s rotorovým letadlem na jiné planetě a sbírat technická data, která pomohou navrhnout budoucí vrtulníky na Mars.

To znamená, že existuje určitá míra flexibility v tom, jak se může plavidlo pohybovat, protože není nutné, aby manévrovalo na přesné místo na povrchu. Plavidlo pravděpodobně zůstane v okruhu několika set yardů od vozítka Perseverance, takže se vůči němu dokáže umístit. "Do určité míry si nemyslím, že příliš záleží na tom, jak přesní jsme, když létáme - vrtulník bude přesně vědět, kde si myslí, že je," řekl Ravich. "Z vyšší úrovně příliš nezáleží na tom, jestli je to 10 stop sem nebo 10 stop tam, když přistává - pokud přistává bezpečně."

Pomoc ze vzduchu

Pokud bude koncept Ingenuity v praxi fungovat tak, jak se očekávalo, vrtulníky by mohly poskytnout neocenitelnou hodnotu pomoc při budoucích misích roverů, pořizování snímků povrchu a urychlení a zrychlení průzkumu přesný.

Matt Golombek, veterán vědeckých misí na Mars, který se specializuje na výběr míst přistání na Marsu a který byl hlavním vyšetřovatelem pro první návrh vrtulníku na Mars vysvětlil Digital Trends, jak by vrtulníky mohly být prospěšné pro budoucí průzkum operace.

Vyplnění mezery v rozlišení

Jedním z nejcennějších úkolů, které by budoucí mise vrtulníků mohly provádět, by bylo pořizování fotografií s vysokým rozlišením, které by zaplnily to, co je známé jako „mezera rozlišení“ snímků povrchu Marsu. To se týká „rozdílu mezi snímky s nejvyšším rozlišením, které máme z oběžné dráhy, což je asi 25 centimetrů (asi 10 palců) na pixel a jsou tzv. HiRISE obrázky, oproti tomu, co můžete vidět na zemi v předchozích misích roverů, kde je naše rozlišení něco bližšího 3 centimetrům na pixel,“ řekl Golombek. "To je řádově."

Přestože jsou snímky povrchu planety ve vysokém rozlišení pořízené pomocí přístroje HiRISE neuvěřitelně podrobné, vezmeme-li v úvahu, že byly pořízeny z oběžné dráhy, nejsou dostatečně podrobné, aby ukázaly strukturální rysy země, jako jsou výchozy, nebo aby identifikovaly oblasti vědeckého zájmu, jako jsou konkrétní skály pro vozítka návštěva. Rovery tedy musí prozkoumat oblast, ve které přistávají, aby našli kameny nebo jiné útvary, které je vědecky zajímavé prozkoumat.

Vrtulník by mohl být použit jako průzkumník pro mise roverů a pořizovat snímky, které jsou podrobnější než ty, které jsou možné z oběžné dráhy. Tyto snímky by mohly být použity k identifikaci oblastí zvláštního vědeckého zájmu, takže tým mohl poslat rover přímo k nejcennějším cílům výzkumu.

Rozšíření oblastí pokrytí roverů

Jedna věc, kterou si možná neuvědomujete o misích marťanských roverů, je to, jak malou oblast každý rover pokrývá, protože má omezený výkon k provozu a každý pohyb, který udělají, musí být pečlivě naplánován. Vytrvalost, například, urazí 3 až 12 mil (5 až 20 kilometrů) během svého hlavního poslání. A nejvzdálenější vozítko planety, Opportunity, urazilo během své 14leté životnosti neuvěřitelných 28 mil (45 kilometrů). Jakkoli je to na rover zkoumající vzdálenou planetu působivé, tyto vzdálenosti představují jen zlomek celkové plochy Marsu.

Roveru může například trvat týdny, než urazí kilometr. Zatímco Ingenuity by mohla ujet až jeden kilometr za pouhých 90 sekund, ačkoli tým neplánuje na své první misi provozovat vrtulník tak vysokou rychlostí. Budoucí vrtulníky by ale mohly prozkoumat mnohem větší oblast planety a snímky, které pořídily, by byly neocenitelné pro zasazení nálezů roverů do širšího kontextu. Takové snímky by vědcům pomohly porozumět globální geologii planety a řekly by jim, zda oblasti studované roverem reprezentují větší marťanské prostředí.

Vrtulník by také mohl pomoci rozšířit oblast vyšetřování tím, že podstatně zkrátí dobu, kterou roverům zabere navigace po povrchu. V současné době se trasy jízdy roverů určují pomocí obrázků s nejvyšším dostupným rozlišením, ale tyto obrázky ne vždy ukazují překážky nebo nebezpečí, takže řidiči musí jet pomalu a opatrně.

"Obvykle je maximální ujetá vzdálenost roverů za den 60 až 100 metrů," řekl Golombek. "Ale kdybyste měli tyto informace ve vysokém rozlišení, řeklo by vám to konkrétně, kde je bezpečný disk." cesty byly, můžete je snadno zdvojnásobit nebo ztrojnásobit, a tak se do cíle dostat mnohem rychleji.“

Hledání místa přistání

Než však může rover prozkoumat, musí přistát. A proces výběru místa přistání by mohl těžit také z letecké podpory.

„Výběr místa přistání je kombinací charakterizace toho, jak bezpečný je povrch pro přistání s vesmírnou lodí, kterou jste navrhli a postavili – landeři nemají rádi velké kameny pod sebou, které by je mohly nabodnout nebo převrátit, strmé svahy obecně nejsou dobrá věc a oblasti, které jsou velmi nadýchané, do kterých byste se mohli ponořit, jsou špatnou volbou – takže existuje celá řada toho, čemu říkáme technická omezení,“ řekl Golombek.

Tato technická omezení jsou také komplikována řídkou atmosférou Marsu, protože to ztěžuje vozidlům zpomalení pomocí padáků, když přicházejí na přistání. Tým tedy musí zvážit i nadmořskou výšku místa přistání, aby se zajistilo, že tam vozidlo může bezpečně přistát.

"A pak máte vědecké cíle, které jsou založeny na užitečném zatížení, které nesete, a na vědecké cíle mise – věci, které se chcete naučit a zjistit o Marsu,“ pokračoval na. "A musíte je všechny zvážit, abyste přišli na místo [k přistání], které je bezpečné a také vědecky zajímavé pro danou misi."

Lidé, kteří vybírají místa přistání, jako je Golombek, spoléhají z velké části na snímky pořízené z oběžné dráhy, aby zjistili, která místa budou splňovat tato kritéria. A sebemenší odchylky od toho, co se očekává, mohou způsobit problémy, jako jsou ty, které zažil přistávací modul InSight, který přistál na Marsu v roce 2018. Týmu InSight se podařilo najít místo, které bylo náležitě ploché a bez kamenů, a jejich předpovědi o materiálech, které tvoří povrch, byly zcela přesné. Ukázalo se však, že půda pod povrchem místa, kde sedí lander, byla mírně odlišná, než se očekávalo, protože byla zhutněna do tužšího materiálu zvaného durakrust. A to ve snaze o to způsobilo mnoho problémů pohřbít tepelnou sondu landeru pod povrchem.

"V orbitálních datech, které používáte k odvození toho, co je skutečně dole na povrchu, je vždy nejednoznačnost," řekl Golombek. „Obecně jsme při výběru místa přistání byli velmi dobří v měření a charakterizaci technických omezení – skály hojnost a svahy a tak dále – většinou proto, že snímky HiRISE mají dostatečně vysoké rozlišení, aby bylo možné vidět velké kameny a měřit svahy. Ale byli jsme trochu méně přesní v pochopení toho, co bych nazval geologickým nastavením. To znamená, jak tato oblast vznikla, jaké byly hlavní geologické síly, které ji formovaly. To už bylo těžší."

Vzhledem k tomu, že snímky získané z oběžné dráhy mají omezené rozlišení, je obtížné vidět druhy detailů které jsou potřebné k co nejpřesnější identifikaci cílů vědeckého zájmu, jako jsou konkrétní sedimentární skály. Mít snímky s mnohem vyšším rozlišením, jako jsou ty, které by mohl zachytit vrtulník, by bylo neocenitelné výběr přistávacích míst, která byla jak bezpečná pro vozidla, tak maximalizovala šance na to, aby byla důležitá vědecká zjištění.

Vrtulníky by dokonce mohly nést různé druhy nástrojů, jako je radar pronikající do země, který by mohl vědcům přímo říct, co se skrývá pod povrchem Marsu.

Příbuzný:Zemní radar pro beton

Lov o život shora

Vrtulníky by však mohly být použity pro více než jen podporu jiných misí. Takový stroj by mohl být potenciálně vybaven jakýmkoli typem kamery, jako je radar, infračervené nebo termovizní přístroje, které mohou odhalit složení a mineralogii marťanského terénu.

To je důležité, protože tyto nástroje mohou identifikovat určité minerály, jako je jíl, které se tvoří, když je přítomna voda. Oblasti s vysokou hustotou těchto jílových minerálů jsou klíčovými cíli pro výzkum, zda existují možná kdysi býval život na Marsu.

Některé z nejzajímavějších cílů pro vědce k výzkumu jsou srázy nebo strmé útesy vytvořené erozí, protože odhalují vrstvy hornin, které byly položeny v průběhu času. Pohled na tyto vrstvy je jako ohlédnutí zpět do marťanských dějin. Protože jsou však strmé a skalnaté, jsou tyto oblasti pro rovery obtížné prozkoumat a musí postupovat velmi opatrně. Například rover Opportunity strávil celý rok opatrně objížděním okraje jednoho takového srázu. vyfotit si to, zatímco „tyto druhy snímků mohl vrtulník pořídit za pár dní,“ Golombek řekl.

Když se Golombek zeptal, zda je na Marsu konkrétní místo, které by osobně rád prozkoumal s vrtulníky, zasmál se. "Jsou jich stovky - tisíce!" řekl. „Povrch Marsu je podobný exponovanému povrchu nad vodou na Zemi. Zamyslete se nad rozdíly mezi Grand Canyonem a Himalájemi, mezi pobřežními zónami a vnitrozemím. Existuje tolik různých míst, která vám řeknou zajímavé věci.“

Nástroje v sadě nástrojů Mars

Oba experti se shodli na tom, že budoucnost průzkumu Marsu není otázkou vrtulníků nebo roverů, ale spíše použití obou podle potřeby pro různé úkoly.

"Jsem duší inženýr, takže pro mě jsou všechny nástroje v sadě nástrojů," řekl Ravich. "Pro atmosférická tělesa, jako je Mars, bude existovat silný případ, že letecký prostředek je odpovědí na cokoliv, co chcete dělat." Pokud chcete slézt do velké díry, jako je kaňon, nebo pokud chcete vylézt na horu, bude to nejlepší odpověď. Ale vždy existuje limit toho, co můžeme nést – proto jsou ptáci tak lehcí a sloni ne – takže s [pozemním] vozidlem budete vždy schopni dělat více vědy a unést více."

Potřeba více typů vozidel je ještě jasnější, když do toho vstoupí lidé, při plánování budoucích pilotovaných misí na Mars. "Pravděpodobně budeme také potřebovat oba," řekl Ravich. "Když se dnes podíváte na lidi, komunikujeme s pozemními a vzdušnými dopravními prostředky a nevidím, že by se to změnilo."

Doporučení redakce

• Kosmologické dojíždění: Složitá logistika přivádění lidí na Mars
• Umělé atmosféry: Jak na Marsu postavíme základnu s dýchatelným vzduchem
• 7 minut teroru: Zhroucení šílené sekvence Perseverance při přistání na Marsu
• Marťanský prach je pro astronauty velkým problémem. Zde je návod, jak s tím NASA bojuje
• Jak bude Perseverance Rover od NASA hledat život na Marsu