Tapaa Ingenuity: korkean teknologian helikopteri, joka on suunniteltu lentämään Marsissa

Kun NASA laukaisee Perseverance-mönkijän Mars-matkalleen tällä viikolla, sen vieressä on kumppani. Atlas V -raketin nokkakartio: Ingenuity-niminen helikopteri, josta on tarkoitus tulla ensimmäinen roottorilentokone, joka lensi toisella planeetta. Tämä kokeellinen minihelikopteri voisi avata kokonaan uuden Marsin tutkimuskentän, kun se tutkii planeettaa ilmasta.

Mutta jos luulet, että on vaikeaa suunnitella maa-ajoneuvoa liikkumaan satojen miljoonien kilometrien päässä olevan planeetan ympäri, kuvittele yrittäväsi suunnitella helikopteri, joka voi lentää niin ohuessa ilmakehässä, että se on tuskin siellä, pakkasella navigoinnin aikana itsenäisesti.

Keskustelimme NASAn Jet Propulsion Labin Ingenuity-projektin johtavan insinöörin ja vanhemman tutkijan kanssa selvittääksemme, kuinka he tekivät sen ja miltä Marsin tutkimuksen tulevaisuus voisi näyttää.

Ennennäkemätön haaste

Toiselle planeetalle lentävän helikopterin rakentamiseen liittyy lukuisia haasteita, joista kiireisin on saada jotain pysymään ilmassa, kun ilmakehä on niin ohut. Marsin ilmakehän tiheys on vain noin 1 % maan ilmakehän tiheydestä, mikä vastaa 100 000 jalan korkeutta. Sen osoittamiseksi, kuinka vaikeaa se tekee lennosta, helikopterilennon korkeusennätys maan päällä on hieman yli 40 000 jalkaa.

Helikopterit toimivat siirtämällä ilmaa erittäin nopeasti pyörivien terien avulla, jotka työntävät ilmaa alaspäin ja luovat nostovoimaa. Mutta Marsissa ohut ilma tarjoaa hyvin vähän nostovoimaa, vaikka sitä liikutetaan terien kanssa. Vaikka suunnittelijat saivat apua siitä tosiasiasta, että painovoima on pienempi Marsissa, hieman yli kolmasosa painovoimasta. Maapallolla oli edelleen merkittävä ongelma sellaisen veneen tekemisessä, joka pystyisi toimimaan vain ohuella ilmakehällä kanssa.

"Ratkaisu tähän ongelmaan on pieni massa", Ingenuityn koneenrakennusjohtaja Josh Ravich kertoi Digital Trendsille, "joka oli Kaiken kaikkiaan koko tehtävän vaikein haaste, pitää massa alhaisena." Koko helikopterin piti painaa alle 4 kiloa (1.8 kiloa), mikä edellytti huolella valittujen materiaalien käyttöä, ja päärunko on hyvin pieni, sillä se on 14 cm (5,5 tuumaa) kuutio. kooltaan.

Ja painokysymys asetti rajoituksia myös muille käsityön osa-alueille: "Meidän on tasapainotettava miten paljon tehoa, jota voit kuljettaa akkujen muodossa ajoneuvon pyörittämiseen, ja kuinka suuria teräsi voivat olla”, Ravich sanoi. Akkuja tarvitaan, koska virta kerätään ajoneuvon päällä olevaan aurinkopaneeliin, joka mahdollistaa auton latauksen itsenäisesti.

Helikopterin siipien on oltava suuria – niiden jänneväli on hieman alle 4 jalkaa (1,2 metriä) – jotta ajoneuvon nostokyky on riittävä lentää. Tehdäkseen teriä, jotka olivat sekä riittävän suuria että kevyitä, tiimi käytti uusia materiaaleja, mukaan lukien hiilikuitua muistuttavia komposiitteja. Lapaa on yhteensä neljä, ja ne on järjestetty kahdeksi roottoriksi, joista jokainen pyörii jopa 2400 rpm: n nopeudella, paljon nopeammin kuin noin 500 rpm: n nopeus, joka on tyypillinen helikopterin lapoille maan päällä.

Kylmän ongelma

Toinen materiaaliinnovaatioita vaatinut ongelma oli pintalämpötilan ongelma, joka voi pudota jopa 100 Fahrenheit-astetta yöllä. Kun on niin kylmä, elektroniset järjestelmät eivät toimi luotettavasti ja ajoneuvon on käytettävä arvokasta tehoa pysyäkseen lämpimänä. Joten Ingenuity-tiimi keksi ratkaisun käyttämällä ohuita eristekerroksia ajoneuvon herkkien elektronisten komponenttien ympärille.

"Yleensä tämä ratkaistaan ​​laittamalla sinne paljon paksua eristystä, mutta eristys on melko raskasta", Ravich sanoi. ”Joten päädyimme käyttämään osan ilmakehästä, aivan kuten ankan tai hanhen höyhenten alla olisi eristekerros, käytämme Marsin ilmakehän kaasua. Jos käytät tarpeeksi ohuita lämpöpeittoja, voit saada hieman eristystä.

Viimeinen kylmän aiheuttama vaikeuttava ongelma on se, kuinka vaimennusmateriaalit reagoivat alhaisiin lämpötiloihin. "Useimmissa maan päällä olevissa helikoptereissa on fyysiset elastiset vaimentimet, jotka nostavat painoa, joka tulee helikopterin keskinapaan", hän sanoi. Nämä vaimentimet vaimentavat erittäin suurilla nopeuksilla pyörivien siipien aiheuttamaa huomattavaa tärinää. "Mutta ne eivät toimi yhtä hyvin Marsin lämpötiloissa, joten meidän piti tehdä paljon suunnittelua, jotta se toimisi jäykempänä järjestelmänä."

Itsenäinen tutkimusmatkailija

Helikopteria ei ole mahdollista lentää suoraan maasta, koska tämän ja Marsin välillä on useiden minuuttien viestintäviive. Sen sijaan Ingenuity on enimmäkseen itsenäinen, ja se käyttää antureitaan ympäröivän ympäristön havaitsemiseen ja liikkuu sen mukaisesti.

Tässä tehtävässä se käyttää laivalla olevia instrumentteja, kuten navigointikameraa, laserkorkeusmittaria ja kiihtyvyysmittarin gyroskooppipakettia, jota kutsutaan inertiamittausyksiköksi (IMU). Näiden työkalujen avulla vene voi selvittää, minne se on menossa ja kuinka kaukana se on maasta. Se voi jopa havaita vaaroja välttääkseen mahdollisia esteitä.

Tämä tarkoittaa, että maassa olevat teknikot antavat alukselle lentosuunnitelman, ja sitten Ingenuity voi toteuttaa sen, kuten Ravich selitti: "Helikopteria lennätetään siten, että me Syötä lentosuunnitelma, pohjimmiltaan lentoreitti, sanoen "pyöritä siipiä näin kauan, lennä tänne, käänny ympäri, lennä tänne"… ja sitten Ingenuity tekee tämän sarjan itse."

Helikopterin on pysyttävä kommunikaatioetäisyydellä mönkijän kanssa, joka on noin yksi kilometri, ja mieluiten sillä pitäisi olla suora näköyhteys. Mutta sen lisäksi Ingenuity voi toimia itsenäisesti ja voi ladata, nousta ja laskeutua ilman minkäänlaista tukea roverilta. Suunnitelmana on, että helikopteri vastaa yhteen haasteeseen kerrallaan nähdäkseen kuinka kykenevä se liikkumaan planeetan ympärillä.

"Lennämme sarjan yhä monimutkaisempia tehtäviä", Ravich sanoi. ”Nimellisesti tehtävä on yhdestä kolmeen lentoa, mutta se voi olla jopa viisi lentoa riippuen siitä, miten asiat etenevät… Jokainen lento tulee olemaan hieman monimutkaisempi. Ensimmäinen, nousemme ylös, leijumme ympäriinsä, laskeudumme. Toinen voi olla nousta ylös, kääntyä ympäri, ehkä liikkua hieman, sitten tulla takaisin ja laskeutua. Loppua kohden, jos asiat menevät hyvin, he saattavat päättää nousta ylös, lentää sitä tietä ja löytää uuden laskeutumispaikan ja pitää sen seuraavana tukikohtana."

Todistaa konseptin

Kekseliäisyyttä ei ole tarkoitettu tiedetehtäväksi, joten se ei kerää tiededataa – vaikka asiantuntijat toivovatkin, että he voivat hyödyntää osaa sen keräämistä tiedoista. Tehtävän tavoitteena on osoittaa, että on teknisesti mahdollista lentää roottorialuksella toisella planeetalla ja kerätä teknisiä tietoja tulevien Mars-helikopterien suunnittelua varten.

Tämä tarkoittaa, että veneen liikkumisessa on jonkin verran joustavuutta, koska sen ei tarvitse liikkua tarkkaan paikkaan pinnalla. Alus pysyy todennäköisesti muutaman sadan jaardin etäisyydellä Perseverance-mönkijästä, joten se voi sijoittaa itsensä suhteessa siihen. "Jossain määrin en usko, että sillä on liian suurta merkitystä kuinka tarkkoja olemme lentäessämme - helikopteri tietää tarkalleen, missä se luulee olevansa", Ravich sanoi. "Ylemmältä tasolta katsottuna ei ole liian väliä, onko se 10 jalkaa tähän suuntaan vai 10 jalkaa tuohon suuntaan, kun se laskeutuu - kunhan se laskeutuu turvallisesti."

Apua ilmasta

Jos Ingenuity-konsepti toimii käytännössä odotetusti, helikopterit voivat tarjota korvaamatonta arvoa auttaa tulevissa rover-tehtävissä, ottaa kuvia pinnasta ja nopeuttaa tutkimista tarkka.

Matt Golombek, Mars-tieteellisten tehtävien veteraani, joka on erikoistunut laskeutumispaikkojen valintaan Marsiin ja joka oli päätutkija Ensimmäisessä Mars-helikopteriehdotuksessa selitti Digital Trendsille, kuinka helikopterit voisivat olla hyödyllisiä tulevaisuuden etsinnässä toiminnot.

Täytetään resoluution aukko

Yksi arvokkaimmista tehtävistä, joita tulevat helikopteritehtävät voisivat suorittaa, olisi korkearesoluutioisten valokuvien ottaminen Marsin pintakuvien "resoluutioaukon" täyttämiseksi. Tämä viittaa "eroon kiertoradalta saamiemme korkeimman resoluution kuvien välillä, jotka ovat noin 25 senttimetriä (noin 10 tuumaa) pikseliä kohden ja ovat ns. HiRISE kuvatverrattuna siihen, mitä voit nähdä maassa aikaisemmissa rover-lennoissa, joissa resoluutiomme on lähempänä kolmea senttimetriä pikseliä kohden”, Golombek sanoi. "Se on suuruusluokkaa."

Vaikka HiRISE-instrumentilla otetut teräväpiirtokuvat planeetan pinnasta ovat uskomattoman yksityiskohtaisia, kun otetaan huomioon, että ne on otettu kiertoradalta, eivät ole tarpeeksi yksityiskohtaisia ​​osoittamaan maan rakenteellisia piirteitä, kuten paljastumia, tai tunnistamaan tieteellisesti kiinnostavia alueita, kuten tiettyjä kiviä rovereille vierailla. Rovereiden on siis tutkittava aluetta, jolle ne laskeutuvat, löytääkseen kiviä tai muita piirteitä, joita on tieteellisesti mielenkiintoista tutkia.

Helikopteria voitaisiin käyttää tiedustelijana rover-tehtävissä, ja se ottaa kuvia, jotka ovat yksityiskohtaisempia kuin kiertoradalta. Näitä kuvia voitaisiin käyttää tieteellisesti erityisen kiinnostavien alueiden tunnistamiseen, jotta tiimi voisi lähettää kulkijan suoraan arvokkaimpiin tutkimuskohteisiin.

Roversin kattavuusalueen laajentaminen

Yksi asia, jota et ehkä ymmärrä Mars-kulkijan tehtävistä, on se, kuinka pienen alueen kukin kulkija kattaa, koska niillä on rajallinen teho toimia, ja jokainen niiden liike on suunniteltava huolellisesti. Esimerkiksi sinnikkyys kattaa 3–12 mailia (5–20 kilometriä) päätehtävänsä aikana. Ja planeetan kauimpana kulkija Opportunity kulki uskomattoman 28 mailia (45 kilometriä) 14 vuoden elinkaarensa aikana. Niin vaikuttava kuin tämä onkin kaukaista planeettaa tutkivalle kulkijalle, nämä etäisyydet edustavat vain murto-osaa Marsin kokonaispinta-alasta.

Roverilla voi kestää viikkoja esimerkiksi kilometrin matkaan. Sen sijaan Ingenuity voisi matkustaa jopa yhden kilometrin vain 90 sekunnissa, vaikka tiimi ei aio ajaa helikopteria niin suurilla nopeuksilla ensimmäisessä tehtävässään. Mutta tulevat helikopterit voisivat tutkia paljon laajempaa aluetta planeetalla, ja niiden ottamat kuvat olisivat korvaamattomia, jotta roverin löydökset voidaan sijoittaa laajempaan kontekstiin. Tällaiset kuvat auttaisivat tutkijoita ymmärtämään planeetan globaalia geologiaa ja kertomaan heille, edustavatko roverin tutkimat alueet suurempaa Marsin ympäristöä.

Helikopteri voisi myös auttaa laajentamaan tutkinta-aluetta vähentämällä huomattavasti aikaa, joka kuluu roverien navigoimiseen pinnan ympäri. Tällä hetkellä roverin ajoreitit määritetään käyttämällä korkeimman resoluution kuvia, mutta Näissä kuvissa ei aina näy esteitä tai vaaroja, joten kuljettajien on navigoitava hitaasti ja huolellisesti.

"Tyypillisesti roverit ajavat maksimissaan vuorokaudessa 60-100 metriä", Golombek sanoi. "Mutta jos sinulla olisi nämä korkearesoluutioiset tiedot, se kertoisi sinulle tarkasti, missä turvallisesti ajaa polut olivat, voit tuplata tai kolminkertaistaa sen helposti ja siten päästä määränpäähäsi paljon nopeammin."

Laskeutumispaikan löytäminen

Ennen kuin rover voi tutkia asiaa, sen on kuitenkin laskeuduttava. Ja laskeutumispaikan valintaprosessi voisi myös hyötyä ilmatuesta.

"Laskeutumispaikan valinta on yhdistelmä luonnehtia, kuinka turvallinen pinta on laskeutua suunnittelemallasi ja rakentamallasi avaruusaluksella. laskeutujat eivät pidä suurista kivistä niiden alla, jotka voivat iskeä ne tai kaataa ne, jyrkät rinteet eivät yleensä ole hyvä asia, ja alueet, jotka ovat hyvin pörröisiä ja joihin saatat uppoutua, ovat huonoja valintoja – joten siellä on koko joukko niin sanottuja teknisiä rajoitteita." Golombek sanoi.

Näitä teknisiä rajoitteita vaikeuttaa myös Marsin ohut ilmakehä, koska tämä vaikeuttaa ajoneuvojen hidastamista laskuvarjoilla laskeutuessaan. Tiimin on siis otettava huomioon myös laskeutumispaikan korkeus, jotta ajoneuvo voi laskeutua sinne turvallisesti.

"Ja sitten sinulla on tieteellisiä tavoitteita, jotka perustuvat kantamaasi hyötykuormaan ja siihen tehtävän tieteelliset tavoitteet – asiat, jotka haluat oppia ja saada tietää Marsista", hän sanoi päällä. "Ja sinun on punnittava kaikki nämä yhdessä löytääksesi paikan [laskeutua], joka on sekä turvallinen että myös tieteellisesti mielenkiintoinen kyseiselle tehtävälle."

Ihmiset, jotka valitsevat laskeutumispaikkoja, kuten Golombek, luottavat suurelta osin kiertoradalta otettuihin kuviin selvittääkseen, mitkä sivustot täyttävät nämä kriteerit. Ja pienimmätkin poikkeamat odotetusta voivat aiheuttaa ongelmia, kuten sellaisia, joita Marsiin vuonna 2018 laskeutunut InSight-laskeutuja kokee. InSight-tiimi onnistui löytämään sijainnin, joka oli sopivan tasainen ja vapaa kivistä, ja heidän ennusteensa pinnan muodostavista materiaaleista olivat täysin tarkkoja. Maaperä laskurin istumapaikan pinnan alla osoittautui kuitenkin hieman erilaiseksi kuin odotettiin, koska se oli tiivistetty sitkeämmäksi materiaaliksi nimeltä duracrust. Ja tämä on aiheuttanut monia ongelmia yrittäessään hautaa laskeutujan lämpöanturi pinnan alla.

"Ratatiedoissa, joita käytät päättämään, mitä pinnalla todella on, on aina epäselvyyttä", Golombek sanoi. "Yleensä laskeutumispaikan valinnassa olemme olleet erittäin hyviä mittaamaan ja karakterisoimaan teknisiä rajoitteita - kalliota runsaus ja rinteet ja niin edelleen – lähinnä siksi, että HiRISE-kuvat ovat tarpeeksi korkearesoluutioisia isojen kivien näkemiseen ja mittaamiseen rinteet. Mutta olemme olleet hieman vähemmän tarkkoja ymmärtäessämme sitä, mitä kutsuisin geologiseksi ympäristöksi. Eli kuinka tuo alue syntyi, mitkä olivat tärkeimmät geologiset voimat, jotka muovasivat sitä. Se on ollut kovempaa."

Koska kiertoradalta saatujen kuvien resoluutio on rajallinen, on vaikea nähdä minkälaisia ​​yksityiskohtia joita tarvitaan tieteellisesti kiinnostavien kohteiden, kuten tiettyjen sedimenttien, tarkimpaan tunnistamiseen kiviä. Paljon korkeamman resoluution kuvien ottaminen, kuten ne, jotka voitaisiin ottaa helikopterilla, olisi korvaamatonta poimii laskeutumispaikkoja, jotka olivat sekä turvallisia ajoneuvoille että maksimoivat mahdollisuudet tehdä tärkeitä tieteellisiä löydöksiä.

Helikopterit voisivat jopa kuljettaa erilaisia ​​välineitä, kuten maatutkaa, jotka voisivat kertoa tutkijoille suoraan siitä, mitä Marsin pinnan alla piilee.

Aiheeseen liittyvä:Maahan tunkeutuva tutka betonille

Elämän metsästys ylhäältä

Helikoptereita voitaisiin kuitenkin käyttää muuhunkin kuin vain muiden tehtävien tukemiseen. Tällainen kone voitaisiin mahdollisesti varustaa minkä tahansa tyyppisellä kameralla, kuten tutka-, infrapuna- tai lämpökuvausinstrumenteilla, jotka voivat paljastaa Marsin maan koostumuksen ja mineralogian.

Tämä on tärkeää, koska näillä työkaluilla voidaan tunnistaa tiettyjä mineraaleja, kuten savea, joita muodostuu veden ollessa läsnä. Alueet, joilla on paljon näitä savimineraaleja, ovat keskeisiä kohteita tutkittaessa, onko niitä olemassa saattoi joskus olla elämää Marsissa.

Tiedemiesten mielenkiintoisimpia tutkimuskohteita ovat kalliot eli eroosion muodostamat jyrkät kalliot, koska ne paljastavat ajan myötä laskeutuneita kivikerroksia. Näiden kerrosten katsominen on kuin katsoisi taaksepäin Marsin historiaan. Koska ne ovat kuitenkin jyrkkiä ja kivisiä, ne ovat rovereiden vaikea tutkia, ja heidän on edettävä erittäin huolellisesti. Esimerkiksi Rover Opportunity vietti koko vuoden ajan varovasti yhden tällaisen kallion reunaa pitkin kuvata sitä, kun taas "sellaiset kuvat olisi voitu saada muutamassa päivässä helikopterilla", Golombek sanoi.

Kun kysyttiin, oliko Marsissa jokin tietty paikka, jota hän henkilökohtaisesti haluaisi tutkia helikoptereilla, Golombek nauroi. "On satoja - tuhansia!" hän sanoi. "Marsin pinta-ala on samanlainen kuin Maan paljas, veden yläpuolella oleva pinta-ala. Ajattele eroja Grand Canyonin ja Himalajan välillä, rannikkoalueiden ja sisätilojen välillä. On niin monia erilaisia ​​paikkoja, jotka kertoisivat mielenkiintoisia asioita.”

Työkalut Marsin työkalulaatikossa

Molemmat asiantuntijat olivat yhtä mieltä siitä, että Mars-tutkimuksen tulevaisuus ei ole kysymys helikoptereista tai kulkijoista, vaan molempien käyttämisestä eri tehtäviin.

"Olen sydämeltäni insinööri, joten minulle ne ovat kaikki työkaluja työkalulaatikossa", Ravich sanoi. ”Marsin kaltaisille ilmakehän kappaleille on olemassa vahva syy siihen, että ilma-alus on vastaus kaikkeen, mitä haluat tehdä. Jos haluat mennä alas isoon reikään, kuten kanjoniin, tai jos haluat kiivetä vuorelle, se on paras vastaus. Mutta sillä, mitä voimme kantaa, on aina raja – siksi linnut ovat niin kevyitä ja norsut eivät – joten pystyt aina tekemään enemmän tiedettä ja kantamaan enemmän [maa-ajoneuvolla."

Erityyppisten ajoneuvojen tarve tulee entistä selvemmäksi, kun ihmiset tulevat kuvaan, kun suunnitellaan tulevia miehitettyjä lentomatkoja Marsiin. "Tarvitsemme luultavasti myös molempia", Ravich sanoi. "Jos katsot ihmisiä nykyään, olemme vuorovaikutuksessa maa- ja ilma-ajoneuvojen kanssa, enkä näe sen muuttuvan."

Toimittajien suositukset

• Kosmologinen työmatka: Hankala logistiikka ihmisten saattamiseksi Marsiin
• Keinotekoiset ilmakehät: Kuinka rakennamme tukikohdan hengittävällä ilmalla Marsiin
• 7 minuuttia kauhua: Perseverancen järjetön Mars-laskeutumissarja katkesi
• Marsin pöly on suuri ongelma astronauteille. Näin NASA taistelee sitä vastaan
• Kuinka NASAn Perseverance Rover etsii elämää Marsista