Lernen Sie Ingenuity kennen: Der High-Tech-Hubschrauber, der für den Flug auf dem Mars entwickelt wurde

Wenn die NASA diese Woche den Perseverance-Rover auf seine Reise zum Mars startet, wird ein Begleiter daneben versteckt sein Nasenkegel der Atlas-V-Rakete: Ein Hubschrauber namens Ingenuity, der als erster Drehflügler jemals auf einem anderen fliegen soll Planet. Dieser experimentelle Miniaturhubschrauber könnte ein völlig neues Feld der Marserkundung eröffnen, da er den Planeten aus der Luft untersucht.

Aber wenn Sie der Meinung sind, dass es schwierig ist, ein Bodenfahrzeug zu konstruieren, das sich um einen Hunderte Millionen Meilen entfernten Planeten manövrieren lässt, dann stellen Sie sich vor, Sie könnten es versuchen einen Hubschrauber zu entwerfen, der beim Navigieren in einer Atmosphäre fliegen kann, die so dünn ist, dass sie kaum noch vorhanden ist, bei eisigen Temperaturen autonom.

Wir haben mit einem leitenden Ingenieur und einem leitenden Wissenschaftler des Ingenuity-Projekts im Jet Propulsion Lab der NASA gesprochen, um herauszufinden, wie sie es gemacht haben und wie die Zukunft der Marsforschung aussehen könnte.

Eine beispiellose Herausforderung

Der Bau eines Hubschraubers, der auf einem anderen Planeten fliegen kann, bringt zahlreiche Herausforderungen mit sich. Die dringendste davon besteht darin, dafür zu sorgen, dass etwas in der Luft bleibt, wenn die Atmosphäre so dünn ist. Die Marsatmosphäre hat nur etwa 1 % der Dichte der Erdatmosphäre, was einer Höhe von 100.000 Fuß entspricht. Um zu zeigen, wie schwierig das Fliegen ist, liegt der Höhenrekord für Hubschrauberflüge auf der Erde bei knapp über 40.000 Fuß.

Hubschrauber bewegen die Luft sehr schnell mithilfe rotierender Rotorblätter, die die Luft nach unten drücken und Auftrieb erzeugen. Aber auf dem Mars bietet die dünne Luft nur sehr wenig Auftrieb, selbst wenn sie mit Rotorblättern bewegt wird. Allerdings konnten die Konstrukteure durch die Tatsache, dass die Schwerkraft auf dem Mars geringer ist, etwas mehr als ein Drittel der Erdanziehungskraft ausmachen Auf der Erde gab es immer noch das große Problem, ein Raumschiff zu bauen, das sich mit nur einer dünnen Atmosphäre zum Funktionieren ernähren konnte mit.

„Die Lösung für dieses Problem ist eine geringe Masse“, sagte Josh Ravich, Maschinenbauleiter bei Ingenuity, gegenüber Digital Trends Die insgesamt schwierigste Herausforderung der gesamten Mission war es, die Masse niedrig zu halten.“ Der gesamte Hubschrauber musste weniger als 1,8 Pfund wiegen Kilogramm), was die Verwendung sorgfältig ausgewählter Materialien erforderte, und das Hauptchassis ist mit einem Würfel von 14 cm (5,5 Zoll) sehr klein. in Größe.

Und das Gewichtsproblem schränkte auch andere Aspekte des Handwerks ein: „Wir müssen ein Gleichgewicht zwischen dem Wie und dem Wie finden „Wie viel Energie können Sie in Form von Batterien transportieren, um das Fahrzeug anzutreiben, und wie groß Ihre Rotorblätter sein dürfen“, Ravich sagte. Die Batterien werden benötigt, da der Strom über ein Solarpanel auf dem Dach des Fahrzeugs gesammelt wird, wodurch das Fahrzeug autonom aufgeladen werden kann.

Die Rotorblätter des Hubschraubers müssen groß sein – sie haben eine Spannweite von knapp 1,2 Metern –, um ausreichend Auftrieb für den Flug des Fahrzeugs zu bieten. Um Rotorblätter herzustellen, die sowohl groß als auch leicht genug sind, verwendete das Team neue Materialien, darunter kohlenstofffaserähnliche Verbundwerkstoffe. Insgesamt gibt es vier Blätter, die in zwei Rotoren angeordnet sind, die sich jeweils mit bis zu 2.400 U/min drehen, viel schneller als die für Hubschrauberblätter auf der Erde typische Geschwindigkeit von etwa 500 U/min.

Das Problem der Kälte

Ein weiteres Problem, das Materialinnovationen erforderte, war das Problem der Oberflächentemperatur, die nachts auf bis zu minus 100 Grad Fahrenheit fallen kann. Wenn es so kalt ist, funktionieren elektronische Systeme nicht zuverlässig und das Fahrzeug muss wertvolle Energie verbrauchen, um warm zu bleiben. Deshalb entwickelte das Ingenuity-Team eine Lösung mit dünnen Isolierschichten um die empfindlichen elektronischen Komponenten des Fahrzeugs.

„Normalerweise würde man dieses Problem dadurch lösen, dass man dort viel dicke Isolierung einbaut, aber die Isolierung ist ziemlich schwer“, sagte Ravich. „Am Ende nutzten wir also einen Teil der Atmosphäre selbst, so wie eine Ente oder eine Gans eine Isolierschicht unter ihren Federn hätte, nutzen wir das Gas aus der Marsatmosphäre. Wenn Sie genügend dünne Wärmedecken verwenden, können Sie ein wenig Isolierung erzielen.“

Ein letztes erschwerendes Problem, das durch die Kälte verursacht wird, ist die Reaktion von Dämpfungsmaterialien auf niedrige Temperaturen. „Die meisten Hubschrauber auf der Erde verfügen über physikalisch-elastische Dämpfer, die das Gewicht anheben, das in die mittlere Nabe des Hubschraubers gelangt“, sagte er. Diese Dämpfer absorbieren die erheblichen Vibrationen, die durch die mit sehr hohen Geschwindigkeiten rotierenden Rotorblätter entstehen. „Aber diese funktionieren bei Marstemperaturen nicht so gut, also mussten wir viel Design machen, damit es als steiferes System funktioniert.“

Ein autonomer Entdecker

Aufgrund der Kommunikationsverzögerung von mehreren Minuten zwischen hier und dem Mars ist es nicht möglich, den Hubschrauber direkt von der Erde aus zu fliegen. Stattdessen wird Ingenuity größtenteils autonom sein, seine Sensoren nutzen, um die Umgebung um ihn herum zu erkennen und sich entsprechend zu bewegen.

Für diese Aufgabe werden Bordinstrumente verwendet, darunter eine Navigationskamera, ein Laserhöhenmesser und ein Beschleunigungsmesser-Gyroskoppaket, das als Inertial Measurement Unit (IMU) bezeichnet wird. Mithilfe dieser Werkzeuge kann das Fahrzeug ermitteln, wohin es unterwegs ist und wie weit es vom Boden entfernt ist. Es kann sogar Gefahren erkennen, um potenziellen Hindernissen auf seinem Weg auszuweichen.

Das bedeutet, dass die Techniker am Boden dem Fluggerät einen Flugplan geben und Ingenuity ihn dann ausführen kann, wie Ravich erklärte: „Die Art und Weise, wie der Hubschrauber geflogen wird, liegt bei uns.“ Geben Sie einen Flugplan ein, im Grunde eine Flugroute, und sagen Sie: „Drehen Sie die Rotorblätter so lange, fliegen Sie hierher, drehen Sie sich um, fliegen Sie hierher“ … und dann führt Ingenuity diese Sequenz durch selbst."

Der Hubschrauber muss innerhalb der Kommunikationsreichweite zum Rover bleiben, die etwa einen Kilometer beträgt, und sollte idealerweise eine direkte Sichtlinie haben. Aber darüber hinaus kann Ingenuity unabhängig agieren und ohne Unterstützung durch den Rover laden, starten und landen. Der Plan sieht vor, dass der Hubschrauber eine Herausforderung nach der anderen meistert, um zu sehen, wie leistungsfähig er ist, um den Planeten zu manövrieren.

„Wir werden eine Reihe immer komplexerer Missionen fliegen“, sagte Ravich. „Nominell umfasst die Mission ein bis drei Flüge, es könnten aber je nach Verlauf auch bis zu fünf Flüge sein … Jeder Flug wird etwas komplexer. Im ersten Fall steigen wir auf, schweben herum und landen. Die zweite Möglichkeit wäre, sich aufzurichten, sich umzudrehen, sich vielleicht ein wenig zu bewegen, dann zurückzukommen und zu landen. Gegen Ende, wenn die Dinge gut laufen, könnten sie beschließen, aufzusteigen, in diese Richtung abzufliegen, einen neuen Landeplatz zu finden und diesen als nächste Operationsbasis zu behalten.“

Das Konzept beweisen

Ingenuity ist nicht als wissenschaftliche Mission gedacht und wird daher auch keine wissenschaftlichen Daten sammeln – obwohl Experten hoffen, dass sie einige der gesammelten Daten nutzen können. Ziel der Mission ist es, zu zeigen, dass es technisch machbar ist, ein Drehflügler auf einem anderen Planeten zu fliegen, und technische Daten zu sammeln, um bei der Entwicklung zukünftiger Marshubschrauber zu helfen.

Das bedeutet, dass es ein gewisses Maß an Flexibilität bei der Bewegung des Fahrzeugs gibt, da es nicht an einen genauen Ort auf der Oberfläche manövrieren muss. Das Raumschiff wird sich wahrscheinlich in einem Umkreis von einigen hundert Metern um den Perseverance-Rover aufhalten, sodass es sich relativ dazu positionieren kann. „Bis zu einem gewissen Grad glaube ich nicht, dass es so wichtig ist, wie präzise wir fliegen – der Hubschrauber wird genau wissen, wo er zu sein glaubt“, sagte Ravich. „Von einer höheren Ebene aus spielt es keine allzu große Rolle, ob es bei der Landung 10 Fuß in diese Richtung oder 10 Fuß in diese Richtung ist – solange es sicher landet.“

Hilfe aus der Luft

Wenn das Ingenuity-Konzept in der Praxis wie erwartet funktioniert, könnten Hubschrauber von unschätzbarem Wert sein Unterstützung bei künftigen Rover-Missionen, Aufnahme von Bildern der Oberfläche und schnellere und umfassendere Erkundung genau.

Matt Golombek, ein Veteran von Mars-Wissenschaftsmissionen, der sich auf die Auswahl von Landeplätzen auf dem Mars spezialisiert hat und der leitende Forscher war für den ersten Vorschlag für den Mars-Helikopter erklärte er gegenüber Digital Trends, wie Hubschrauber für die zukünftige Erforschung von Vorteil sein könnten Operationen.

Auflösungslücke schließen

Eine der wertvollsten Aufgaben zukünftiger Hubschraubermissionen wäre die Aufnahme hochauflösender Fotos, um die sogenannte „Auflösungslücke“ der Marsoberflächenbilder zu schließen. Dies bezieht sich auf „den Unterschied zwischen den Bildern mit der höchsten Auflösung, die wir aus der Umlaufbahn haben, die etwa 25 Zentimeter (ungefähr 10 Zoll) pro Pixel betragen und so genannt werden.“ HiRISE-Bilder„Im Vergleich zu dem, was man auf dem Boden bei früheren Rover-Missionen sehen kann, wo unsere Auflösung eher bei 3 Zentimetern pro Pixel liegt“, sagte Golombek. „Das ist ungefähr eine Größenordnung.“

Obwohl die hochauflösenden Bilder der Planetenoberfläche, die mit dem HiRISE-Instrument aufgenommen wurden, unglaublich detailliert sind, wenn man bedenkt, dass sie aus der Umlaufbahn aufgenommen wurden, sind sie es sind nicht detailliert genug, um strukturelle Merkmale des Landes wie Aufschlüsse zu zeigen oder Bereiche von wissenschaftlichem Interesse wie bestimmte Felsen zu identifizieren, zu denen Rover fahren sollen besuchen. Daher müssen Rover das Gebiet, in dem sie landen, erkunden, um Steine ​​oder andere Merkmale zu finden, deren Untersuchung wissenschaftlich interessant ist.

Ein Hubschrauber könnte als Scout für Rover-Missionen eingesetzt werden und detailliertere Bilder aufnehmen, als dies aus dem Orbit möglich wäre. Mithilfe dieser Bilder könnten Bereiche von besonderem wissenschaftlichem Interesse identifiziert werden, sodass das Team den Rover direkt zu den wertvollsten Forschungszielen schicken könnte.

Erweiterung des Abdeckungsbereichs der Rover

Eine Sache, die Ihnen bei Mars-Rover-Missionen vielleicht nicht bewusst ist, ist, wie klein das Gebiet ist, das jeder Rover abdeckt, da er nur über begrenzte Energie verfügt und jede Bewegung sorgfältig geplant werden muss. Perseverance beispielsweise wird im Rahmen seiner Hauptmission zwischen 3 und 12 Meilen (5 und 20 Kilometer) zurücklegen. Und der Rover mit der weitesten Reichweite des Planeten, Opportunity, legte im Laufe seiner 14-jährigen Lebensdauer unglaubliche 28 Meilen (45 Kilometer) zurück. So beeindruckend dies für einen Rover ist, der einen fernen Planeten erkundet, stellen diese Entfernungen nur einen Bruchteil der gesamten Marsoberfläche dar.

Ein Rover könnte zum Beispiel Wochen brauchen, um einen Kilometer zurückzulegen. Während Ingenuity in nur 90 Sekunden bis zu einen Kilometer zurücklegen könnte, plant das Team nicht, den Hubschrauber bei seiner ersten Mission mit so hohen Geschwindigkeiten zu fliegen. Zukünftige Hubschrauber könnten jedoch einen viel größeren Bereich des Planeten erkunden, und die von ihnen aufgenommenen Bilder wären von unschätzbarem Wert, um Rover-Erkenntnisse in einen breiteren Kontext zu stellen. Solche Bilder würden Wissenschaftlern helfen, die globale Geologie des Planeten zu verstehen und ihnen zu sagen, ob die vom Rover untersuchten Gebiete repräsentativ für die größere Marsumgebung sind.

Der Hubschrauber könnte auch dazu beitragen, das Untersuchungsgebiet zu erweitern, indem er die Zeit, die Rover zum Navigieren über die Oberfläche benötigen, erheblich verkürzt. Derzeit werden Rover-Fahrrouten anhand der Bilder mit der höchsten verfügbaren Auflösung ermittelt Diese Bilder zeigen nicht immer Hindernisse oder Gefahren, so dass die Fahrer langsam und langsam navigieren müssen sorgfältig.

„Typischerweise beträgt die maximale Distanz, die Rover an einem Tag zurücklegen, 60 bis 100 Meter“, sagte Golombek. „Aber wenn Sie diese hochauflösenden Informationen hätten, könnten Sie genau sagen, wo das sichere Laufwerk ist Die Wege waren so, dass man diese leicht verdoppeln oder verdreifachen konnte und so viel schneller ans Ziel kam.“

Einen Landeplatz finden

Bevor ein Rover jedoch die Erde erkunden kann, muss er landen. Und auch die Auswahl eines Landeplatzes könnte von Luftunterstützung profitieren.

„Die Auswahl des Landeplatzes ist eine Kombination aus der Charakterisierung, wie sicher die Oberfläche für die Landung mit dem von Ihnen entworfenen und gebauten Raumschiff ist – Lander mögen es nicht, wenn große Steine ​​unter ihnen liegen, die sie aufspießen oder umkippen könnten, steile Hänge sind im Allgemeinen keine gute Sache, und „Bereiche, die sehr flauschig sind und in denen man versinken könnte, sind eine schlechte Wahl – es gibt also eine ganze Reihe von sogenannten technischen Einschränkungen.“ sagte Golombek.

Diese technischen Einschränkungen werden auch durch die dünne Atmosphäre des Mars erschwert, da es für Fahrzeuge schwieriger ist, sich bei der Landung mithilfe von Fallschirmen abzubremsen. Daher muss das Team auch die Höhe eines Landeplatzes berücksichtigen, um sicherzustellen, dass das Fahrzeug dort sicher landen kann.

„Und dann gibt es wissenschaftliche Ziele, die auf der Nutzlast, die Sie transportieren, und der … basieren „Wissenschaftliche Ziele der Mission – die Dinge, die Sie über den Mars lernen und herausfinden möchten“, sagte er An. „Und man muss all das abwägen, um einen Landeplatz zu finden, der sowohl sicher als auch wissenschaftlich interessant für die jeweilige Mission ist.“

Die Leute, die Landeplätze wie Golombek auswählen, verlassen sich weitgehend auf Bilder, die aus dem Orbit aufgenommen wurden, um herauszufinden, welche Orte diese Kriterien erfüllen. Und schon kleinste Abweichungen vom Erwarteten können zu Problemen führen, wie sie beispielsweise beim InSight-Lander auftraten, der 2018 auf dem Mars landete. Dem InSight-Team gelang es, einen Standort zu finden, der ausreichend flach und frei von Steinen war, und seine Vorhersagen über die Materialien, aus denen die Oberfläche besteht, waren völlig korrekt. Es stellte sich jedoch heraus, dass der Boden unter der Oberfläche der Landeeinheit etwas anders war als erwartet, da er zu einem härteren Material namens Duracrust verdichtet war. Und das hat bei dem Versuch viele Probleme verursacht Vergraben Sie die Wärmesonde des Landers unter der Oberfläche.

„Es gibt immer Unklarheiten in den Orbitaldaten, die man verwendet, um abzuleiten, was sich wirklich unten an der Oberfläche befindet“, sagte Golombek. „Im Allgemeinen waren wir bei der Auswahl des Landeplatzes sehr gut darin, die technischen Einschränkungen – das Gestein – zu messen und zu charakterisieren Fülle und Hänge usw. – vor allem, weil die Auflösung der HiRISE-Bilder hoch genug ist, um große Felsen zu erkennen und zu messen Pisten. Aber wir waren etwas weniger genau darin, das zu verstehen, was ich als geologische Umgebung bezeichnen würde. Das heißt, wie dieses Gebiet entstanden ist und welche geologischen Hauptkräfte es geprägt haben. Das war schwieriger.“

Da die vom Orbit aufgenommenen Bilder eine begrenzte Auflösung haben, ist es schwierig, die Art der Details zu erkennen die erforderlich sind, um Ziele von wissenschaftlichem Interesse, wie beispielsweise bestimmte Sedimente, möglichst genau zu identifizieren Felsen. Bilder mit viel höherer Auflösung, wie sie mit einem Hubschrauber aufgenommen werden könnten, wären von unschätzbarem Wert Auswahl von Landeplätzen, die sowohl für die Fahrzeuge sicher waren als auch die Chancen auf wichtige wissenschaftliche Arbeiten maximierten Ergebnisse.

Hubschrauber könnten sogar verschiedene Arten von Instrumenten transportieren, etwa ein Bodenradar, das Wissenschaftlern direkt sagen könnte, was unter der Marsoberfläche lauert.

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Auf der Jagd nach dem Leben von oben

Allerdings könnten Hubschrauber nicht nur zur Unterstützung anderer Missionen eingesetzt werden. Eine solche Maschine könnte möglicherweise mit jeder Art von Kamera ausgestattet sein, etwa Radar-, Infrarot- oder Wärmebildinstrumenten, die die Zusammensetzung und Mineralogie des Marsbodens aufdecken können.

Dies ist wichtig, da diese Werkzeuge bestimmte Mineralien wie Ton identifizieren können, die sich bilden, wenn Wasser vorhanden ist. Gebiete mit einer hohen Dichte dieser Tonminerale sind wichtige Forschungsziele Möglicherweise gab es einst Leben auf dem Mars.

Zu den interessantesten Forschungszielen für Wissenschaftler gehören Steilhänge oder steile Klippen, die durch Erosion entstanden sind, da sie die Gesteinsschichten sichtbar machen, die sich im Laufe der Zeit abgelagert haben. Der Blick auf diese Schichten ist wie ein Blick zurück in die Geschichte des Mars. Da diese Gebiete jedoch steil und felsig sind, ist es für Rover schwierig, sie zu erkunden, und sie müssen sehr vorsichtig vorgehen. Der Rover Opportunity beispielsweise verbrachte ein ganzes Jahr damit, vorsichtig am Rand einer solchen Böschung herumzufahren um es abzubilden, während „solche Bilder in ein paar Tagen mit einem Hubschrauber hätten aufgenommen werden können“, so Golombek sagte.

Auf die Frage, ob es einen bestimmten Ort auf dem Mars gäbe, den er persönlich gerne mit Hubschraubern erkunden würde, lachte Golombek. „Es gibt Hunderte – Tausende!“ er sagte. „Die Oberfläche des Mars ähnelt der freigelegten Oberfläche über dem Wasser der Erde. Denken Sie an die Unterschiede zwischen dem Grand Canyon und dem Himalaya, zwischen den Küstengebieten und dem Landesinneren. Es gibt so viele verschiedene Orte, die einem interessante Dinge erzählen würden.“

Werkzeuge im Werkzeugkasten des Mars

Beide Experten waren sich einig, dass die Zukunft der Marserkundung nicht in Hubschraubern oder Rovern liegt, sondern darin, beide je nach Bedarf für unterschiedliche Aufgaben einzusetzen.

„Ich bin im Herzen Ingenieur und für mich sind das alles Werkzeuge im Werkzeugkasten“, sagte Ravich. „Bei atmosphärischen Körpern wie dem Mars wird es gute Argumente dafür geben, dass ein Luftfahrzeug die Antwort auf alles ist, was Sie tun möchten. Wenn Sie in ein großes Loch wie eine Schlucht hinabsteigen oder einen Berg besteigen möchten, ist das die beste Lösung. Aber es gibt immer eine Grenze für das, was wir transportieren können – deshalb sind Vögel so leicht und Elefanten nicht – also wird man mit einem [Boden-]Fahrzeug immer in der Lage sein, mehr Wissenschaft zu betreiben und mehr zu transportieren.“

Der Bedarf an mehreren Fahrzeugtypen wird noch deutlicher, wenn bei der Planung zukünftiger bemannter Missionen zum Mars Menschen ins Spiel kommen. „Wir werden wahrscheinlich auch beides brauchen“, sagte Ravich. „Wenn man sich die Menschen heute anschaut, interagieren wir mit Boden- und Luftfahrzeugen, und ich glaube nicht, dass sich daran etwas ändern wird.“

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