Tutvuge leidlikkusega: kõrgtehnoloogiline helikopter, mis on loodud Marsil lendamiseks

Kui NASA sel nädalal Marsi-reisile Perseverance'i kulguri teele laseb, on selle kõrval kaaslane. Atlas V raketi ninakoonus: Helikopter nimega Ingenuity, millest peaks saama esimene rootorlennuk, mis kunagi teisele lennukile lendab planeet. See eksperimentaalne miniatuurne helikopter võib planeeti õhust uurides avada täiesti uue Marsi uurimisvälja.

Kuid kui arvate, et sadade miljonite miilide kaugusel asuva planeedi ümber manööverdamiseks on raske kavandada maapealset sõidukit, kujutage ette, et proovite kavandada helikopter, mis suudab navigeerimise ajal lennata nii õhukeses atmosfääris, et seda vaevu on, külmakraadidega autonoomselt.

Rääkisime NASA Jet Propulsion Labi projekti Ingenuity juhtiva inseneri ja vanemteadlasega, et teada saada, kuidas nad seda tegid ja milline võiks välja näha Marsi uurimise tulevik.

Enneolematu väljakutse

Teisel planeedil lennatava helikopteri ehitamine toob kaasa arvukalt väljakutseid, millest kõige pakilisem on see, kuidas panna midagi õhku püsima, kui atmosfäär on nii õhuke. Marsi atmosfäär on vaid umbes 1% Maa atmosfääri tihedusest, mis on samaväärne 100 000 jala kõrgusel asumisega. Et näidata, kui keeruliseks see lendu teeb, on helikopteri lennu kõrgusrekord Maal veidi üle 40 000 jala.

Helikopterid liiguvad õhku väga kiiresti, kasutades pöörlevaid labasid, mis suruvad õhku alla ja tekitavad tõstejõu. Kuid Marsil pakub hõre õhk väga vähe tõstejõudu, isegi kui seda liigutatakse labadega. Kuigi disainerid said abi sellest, et gravitatsioon on Marsil madalam, vaid veidi üle kolmandiku gravitatsioonijõust. Maa, oli ikka veel märkimisväärne probleem sellise veesõiduki valmistamisega, mis suudaks toime tulla vaid õhukese atmosfääriga koos.

"Selle probleemi lahendus on väike mass," ütles Ingenuity masinaehituse juht Josh Ravich Digital Trendsile, "mis oli kogu missiooni raskeim väljakutse, hoida massi madalana. Kogu helikopter pidi kaaluma alla 4 naela (1,8 kilogrammi), milleks oli vaja kasutada hoolikalt valitud materjale, ja põhišassii on väga väike, moodustades 14 cm (5,5 tolli) kuubiku. suuruses.

Ja kaaluprobleem seab piiranguid ka muudele käsitöö aspektidele: "Peame tasakaalustama, kuidas palju võimsust, mida saate sõiduki käitamiseks akude kujul kaasas kanda, ja kui suured võivad olla teie terad, "Ravich ütles. Akusid on vaja, kuna energiat kogutakse sõiduki peal asuva päikesepaneeli abil, mis võimaldab sõidukil iseseisvalt laadida.

Helikopteri labad peavad olema suured – nende ulatus on veidi alla 4 jala (1,2 meetrit), et tagada sõiduki lendamiseks piisav tõstejõud. Piisavalt suurte ja kergete terade valmistamiseks kasutas meeskond uusi materjale, sealhulgas süsinikkiuga sarnaseid komposiite. Kokku on neli laba, mis on paigutatud kaheks rootoriks, millest igaüks pöörleb kiirusel kuni 2400 pööret minutis, mis on palju kiiremini kui helikopterite labadele Maal omane kiirus umbes 500 pööret minutis.

Külma probleem

Teine probleem, mis vajas materiaalseid uuendusi, oli pinnatemperatuuri probleem, mis võib öösel langeda isegi miinus 100 kraadi Fahrenheiti järgi. Kui on nii külm, ei tööta elektroonilised süsteemid usaldusväärselt ja sõiduk peab soojas püsimiseks kasutama väärtuslikku võimsust. Nii leidsid Ingenuity meeskond lahenduse, kasutades õhukesi isolatsioonikihte sõiduki õrnade elektrooniliste komponentide ümber.

"Tavaliselt lahendate selle, pannes sinna palju paksu isolatsiooni, kuid isolatsioon on üsna raske, " ütles Ravich. "Nii et me kasutasime osa atmosfäärist ennast, nagu pardil või hanedel oleks sulgede all isolatsioonikiht, kasutame Marsi atmosfääri gaasi. Kui kasutate piisavalt õhukesi termotekke, saate natuke isolatsiooni.

Üks viimane külmast põhjustatud komplitseeriv probleem on probleem, kuidas summutavad materjalid reageerivad madalatele temperatuuridele. "Enamikul Maa helikopteritel on füüsilised elastsed amortisaatorid, mis tõstavad kopteri keskmisse rummu tulevat raskust," ütles ta. Need amortisaatorid neelavad väga suurel kiirusel pöörlevatest labadest põhjustatud märkimisväärset vibratsiooni. "Kuid need ei tööta Marsi temperatuuridel nii hästi, nii et pidime tegema palju disaini, et muuta see jäigemaks süsteemiks."

Autonoomne maadeavastaja

Kopteriga pole võimalik otse Maalt lennata, kuna siin ja Marsi vahel on mitmeminutiline sideviivitus. Selle asemel on Ingenuity enamasti autonoomne, kasutades oma andureid ümbritseva keskkonna tuvastamiseks ja vastavalt sellele liikudes.

Selle ülesande jaoks kasutab see pardaseadmeid, sealhulgas navigatsioonikaamerat, laserkõrgusmõõtjat ja kiirendusmõõturi güroskoopipaketti, mida nimetatakse inertsiaalseks mõõtühikuks (IMU). Neid tööriistu kasutades saab veesõiduk välja selgitada, kuhu see suundub ja kui kaugel see maapinnast on. See võib isegi mõningaid ohte tuvastada, et vältida võimalikke takistusi oma teel.

See tähendab, et kohapealsed tehnikud annavad veesõidukile lennuplaani ja seejärel saab Ingenuity seda täita, nagu Ravich selgitas: „Helikopterit lennutatakse nii, et meie Sisestage lennuplaan, põhimõtteliselt lennutrajektoori, öeldes "keerake nii kaua labasid, lenda siia, pööra ümber, lenda siit üle"… ja siis Ingenuity teeb selle jada ise."

Helikopter peab jääma kulguriga sideulatusse, mis on umbes üks kilomeeter, ja ideaalis peaks olema otsenähtavus. Kuid peale selle saab Ingenuity töötada iseseisvalt ning laadida, õhku tõusta ja maanduda ilma kulguri toetuseta. Plaan on, et helikopter lahendab ühe väljakutse korraga, et näha, kui võimeline see planeedil ümber manööverdama on.

"Lendame järjest keerukamaid missioone," ütles Ravich. „Nominaalselt on missioon üks kuni kolm lendu, kuid sõltuvalt asjade kulgemisest võib see olla kuni viis lendu... Iga lend on veidi keerulisem. Esimene, me tõuseme üles, hõljume ringi, maandume. Teine võib olla: tõuse üles, pööra ümber, võib-olla liigub veidi, siis tule tagasi ja maandub. Lõpupoole, kui asjad lähevad hästi, võivad nad otsustada tõusta, sellel teel lennata ja leida uus maandumiskoht ning jätta see järgmiseks operatsioonide baasiks.

Kontseptsiooni tõestamine

Leidlikkus ei ole mõeldud teaduslikuks missiooniks, seega ei kogu see teadusandmeid – kuigi eksperdid loodavad, et nad saavad osa kogutud andmetest ära kasutada. Missiooni eesmärk on näidata, et rootorlennukiga on tehnoloogiliselt võimalik lennata teisel planeedil ja koguda tehnilisi andmeid, et aidata kavandada tulevasi Marsi helikoptereid.

See tähendab, et veesõiduki liikumisel on teatud paindlikkus, kuna see ei pea manööverdama täpselt pinnale. Veesõiduk jääb tõenäoliselt Perseverance'i kulgurist mõnesaja jardi raadiusse, nii et see suudab end selle suhtes positsioneerida. "Mingil määral ei usu ma, et sellel on liiga palju tähtsust, kui täpsed me lennates oleme – kopter teab täpselt, kus ta arvab, et see asub," ütles Ravich. "Kõrgemalt vaadates pole vahet, kas see on maandumisel 10 jalga nii või 10 jalga sinnapoole – seni, kuni see maandub ohutult."

Abi õhust

Kui leidlikkuse kontseptsioon toimib praktikas ootuspäraselt, võivad helikopterid pakkuda hindamatut väärtust abi tulevastel kulgurmissioonidel, pildistades pinnast ning muutes uurimise kiiremaks ja enamaks täpne.

Matt Golombek, Marsi teadusmissioonide veteran, kes on spetsialiseerunud Marsi maandumiskohtade valimisele ja kes oli peamine uurija selgitas esimese Marsi helikopteri ettepaneku jaoks väljaandele Digital Trends, kuidas helikopterid võivad tulevastele uuringutele kasulikud olla operatsioonid.

Lahutusvõime tühimiku täitmine

Üks kõige väärtuslikumaid ülesandeid, mida tulevased helikopterimissioonid saaksid täita, oleks kõrge eraldusvõimega fotode tegemine, et täita Marsi pinnapiltide nn eraldusvõime lünka. See viitab "erinevusele kõige kõrgema eraldusvõimega piltide vahel, mis meil orbiidil on, umbes 25 sentimeetrit (umbes 10 tolli) piksli kohta ja mida nimetatakse HiRISE pildid, võrreldes sellega, mida näete maapinnal eelmistes kulgurmissioonides, kus meie eraldusvõime on umbes 3 sentimeetrit piksli kohta, ”ütles Golombek. "See on umbes suurusjärk."

Kuigi HiRISE instrumendiga tehtud kõrglahutusega pildid planeedi pinnast on orbiidilt jäädvustatud ülimalt detailsed, ei ole piisavalt üksikasjalikud, et näidata maa struktuurilisi iseärasusi, nagu paljandid, või tuvastada teaduslikku huvi pakkuvaid valdkondi, nagu konkreetsed kivid kulgurite jaoks. külastada. Seega peavad kulgurid uurima piirkonda, kuhu nad maanduvad, et leida kive või muid objekte, mida on teaduslikult huvitav uurida.

Helikopterit võiks kasutada luurajana kulgurmissioonidel, tehes pilte, mis on üksikasjalikumad kui orbiidilt võimalikud. Neid pilte saab kasutada teaduslikult erilist huvi pakkuvate valdkondade tuvastamiseks, nii et meeskond võiks saata kulguri otse kõige väärtuslikumate uurimisobjektide juurde.

Kulgurite levialade laiendamine

Üks asi, mida te Marsi kulguri missioonide puhul ei pruugi mõista, on see, kui väikese ala iga kulgur katab, kuna nende võimsus on piiratud ja iga nende liigutus tuleb hoolikalt planeerida. Näiteks visadus katab oma põhiülesande jooksul 3–12 miili (5–20 kilomeetrit). Ja planeedi kõige kaugemale ulatuv kulgur Opportunity läbis oma 14-aastase eluea jooksul uskumatu 28 miili (45 kilomeetrit). Nii muljetavaldav kui see kauget planeeti uuriva kulguri jaoks ka pole, moodustavad need vahemaad vaid murdosa Marsi kogupinnast.

Näiteks võib kulguri kilomeetri läbimiseks kuluda nädalaid. Arvestades, et Ingenuity suudab reisida kuni ühe kilomeetri vaid 90 sekundiga, kuigi meeskond ei kavatse helikopterit esimesel missioonil nii suurel kiirusel käivitada. Kuid tulevased helikopterid võiksid uurida planeedi palju suuremat ala ja nende jäädvustatud pildid oleksid hindamatu väärtusega kulguri leidude laiemasse konteksti asetamiseks. Sellised pildid aitaksid teadlastel mõista planeedi globaalset geoloogiat ja öelda, kas kulguri uuritud alad esindavad suuremat Marsi keskkonda.

Helikopter võib samuti aidata uurimisala laiendada, vähendades oluliselt aega, mis kulub kulguritel pinnal navigeerimiseks. Praegu määratakse kulgurite sõidumarsruudid kõrgeima saadaoleva eraldusvõimega piltide põhjal, kuid need pildid ei näita alati takistusi või ohte, mistõttu juhid peavad navigeerima aeglaselt ja hoolikalt.

"Tavaliselt on kulgurite maksimaalne arv päevas 60–100 meetrit," ütles Golombek. "Aga kui teil oleks see kõrge eraldusvõimega teave, ütleks see teile konkreetselt, kuhu ohutu sõita teed olid, võid seda hõlpsalt kahe- või kolmekordistada ja jõuda seeläbi sihtkohta palju kiiremini.

Maandumiskoha leidmine

Enne kui kulgur saab uurida, peab ta siiski maanduma. Ja maandumiskoha valimise protsessile võiks kasu olla ka õhutoetus.

"Maandumiskoha valik on kombinatsioon sellest, kui turvaline on teie projekteeritud ja ehitatud kosmoselaevaga maandumine pinnale. maanduritele ei meeldi, kui nende all on suured kivid, mis võivad neid lüüa või ümber lükata, järsud nõlvad ei ole üldiselt hea, ja alad, mis on väga kohevad ja millesse võite vajuda, on halvad valikud – seega on olemas terve komplekt seda, mida me nimetame tehnilisteks piiranguteks. ütles Golombek.

Neid tehnilisi piiranguid raskendab ka Marsi õhuke atmosfäär, kuna see raskendab sõidukitel maandumisel langevarjude abil pidurdamist. Seega peab meeskond arvestama ka maandumiskoha kõrgusega, et sõiduk saaks seal ohutult maanduda.

"Ja siis on teil teaduseesmärgid, mis põhinevad teie kandevõimel ja sellel missiooni teaduslikud eesmärgid - asjad, mida soovite Marsi kohta õppida ja teada saada," ütles ta peal. "Ja peate neid kõiki koos kaaluma, et leida koht [maandumiseks], mis on selle konkreetse missiooni jaoks nii ohutu kui ka teaduslikult huvitav."

Inimesed, kes valivad maandumissaite, nagu Golombek, toetuvad suuresti orbiidilt tehtud piltidele, et mõistatada, millised saidid nendele kriteeriumidele vastavad. Ja väikseimad kõrvalekalded oodatust võivad põhjustada probleeme, näiteks neid, mida koges 2018. aastal Marsile maandunud InSighti maandur. InSighti meeskonnal õnnestus leida koht, mis oli sobivalt tasane ja kivideta ning nende ennustused pinna moodustavate materjalide kohta olid täiesti täpsed. Kuid maanduri asukoha pinna all olev pinnas osutus oodatust pisut erinevaks, kuna see oli tihendatud sitkemaks materjaliks, mida nimetatakse durakrustiks. Ja see on proovimisel tekitanud palju probleeme matta maanduri soojussond pinna all.

"Orbiidiandmetes, mida te kasutate, et järeldada, mis pinnal tegelikult on, on alati ebaselgus," ütles Golombek. „Üldiselt oleme maandumiskoha valikul olnud väga head insenertehniliste piirangute – kivimi – mõõtmisel ja iseloomustamisel. arvukus ja nõlvad jne – peamiselt seetõttu, et HiRISE kujutised on piisavalt kõrge eraldusvõimega, et näha suuri kive ja mõõta nõlvadel. Kuid me oleme olnud natuke vähem täpsed mõistmaks seda, mida ma nimetaksin geoloogiliseks seadeks. See tähendab, kuidas see piirkond tekkis, millised olid peamised geoloogilised jõud, mis seda kujundasid. See on olnud karmim."

Kuna orbiidilt saadud piltide eraldusvõime on piiratud, on detaile raske näha mida on vaja teaduslikku huvi pakkuvate sihtmärkide (nt konkreetsed setted) kõige täpsemaks tuvastamiseks kivid. Palju kõrgema eraldusvõimega kujutised, nagu need, mida saaks jäädvustada helikopteriga, oleks hindamatu väärtusega valides maandumiskohad, mis olid nii sõidukitele ohutud kui ka maksimeerisid võimalusi oluliseks teaduslikuks muutmiseks leiud.

Helikopteritel võiks olla isegi erinevat tüüpi instrumente, näiteks maaradarit, mis võiks teadlastele otse Marsi pinna all peituva kohta öelda.

Seotud:Maapinda läbistav radar betooni jaoks

Elu jahtimine ülalt

Helikoptereid saab kasutada mitte ainult muude missioonide toetamiseks. Sellist masinat võiks potentsiaalselt varustada mis tahes tüüpi kaameraga, näiteks radari-, infrapuna- või termopildistusseadmetega, mis võivad paljastada Marsi maapinna koostise ja mineraloogia.

See on oluline, kuna need tööriistad suudavad tuvastada teatud mineraale, näiteks savi, mis tekivad vee olemasolul. Nende savimineraalide suure tihedusega piirkonnad on peamised sihtmärgid nende olemasolu uurimiseks võis kunagi olla elu Marsil.

Teadlaste jaoks on kõige huvitavamad uurimisobjektid astangud või erosioonist tekkinud järsud kaljud, kuna need paljastavad aja jooksul ladestunud kivimikihid. Nende kihtide vaatamine on nagu tagasivaade Marsi ajalukku. Kuna aga need on järsud ja kivised, on neid alasid kulguritel raske uurida ja nad peavad väga ettevaatlikult edasi liikuma. Näiteks kulgur Opportunity veetis terve aasta ühe sellise astangu serval ettevaatlikult ringi sõites seda pildistada, samas kui "sellised pildid oleks võinud helikopteriga saada paari päevaga," Golombek ütles.

Küsimusele, kas Marsil on mõni konkreetne asukoht, mida ta isiklikult helikopteritega uurida tahaks, Golombek naeris. "Seal on sadu - tuhandeid!" ta ütles. "Marsi pindala on sarnane Maa vee kohal oleva paljastatud pinnaga. Mõelge erinevustele Suure kanjoni ja Himaalaja vahel, rannikualade ja siseruumide vahel. Seal on nii palju erinevaid kohti, mis räägiksid teile huvitavaid asju.

Tööriistad Marsi tööriistakastis

Mõlemad eksperdid nõustusid, et Marsi uurimise tulevik ei ole ei helikopterite ega kulgurite küsimus, vaid pigem mõlema kasutamine erinevate ülesannete täitmiseks.

"Ma olen hingelt insener, nii et minu jaoks on need kõik tööriistakastis olevad tööriistad," ütles Ravich. „Atmosfäärikehade, nagu Mars, puhul on kindel põhjus, et õhusõiduk on vastus kõigele, mida soovite teha. Kui soovite laskuda alla suurde auku, nagu kanjon, või kui soovite ronida mäele, on see parim vastus. Kuid alati on piirang, mida me kanda saame – seepärast on linnud nii kerged ja elevandid mitte –, nii et saate alati rohkem teadust teha ja [maasõidukiga] rohkem kanda.

Vajadus mitut tüüpi sõidukite järele muutub veelgi selgemaks, kui inimesed tulevad pildile, kui plaanite tulevasi mehitatud missioone Marsile. "Tõenäoliselt on meil mõlemat vaja," ütles Ravich. "Kui vaadata inimesi täna, siis me suhtleme maa- ja õhusõidukitega ning ma ei näe, et see muutuks."

Toimetajate soovitused

• Kosmoloogiline pendelränne: inimeste Marsile viimise keeruline logistika
• Tehisatmosfäär: kuidas ehitame Marsile hingava õhuga baasi
• 7 minutit terrorit: Perseverance'i hullumeelse Marsi maandumisjärjestuse katkemine
• Marsi tolm on astronautide jaoks suur probleem. Siit saate teada, kuidas NASA sellega võitleb
• Kuidas NASA Perseverance Rover Marsil elu otsib