Upoznajte Ingenuity: Helikopter visoke tehnologije dizajniran za let na Marsu

Kada NASA ovog tjedna lansira rover Perseverance na svom putovanju na Mars, imat će suputnika smještenog pokraj njega u Nosni konus rakete Atlas V: Helikopter nazvan Ingenuity, koji bi trebao postati prvi rotorlet ikada koji će letjeti na drugom planeta. Ovaj eksperimentalni minijaturni helikopter mogao bi otvoriti potpuno novo polje istraživanja Marsa dok promatra planet iz zraka.

Ali ako mislite da je teško dizajnirati kopneno vozilo za manevriranje oko planeta udaljenog stotinama milijuna milja, zamislite da pokušate dizajnirati helikopter koji može letjeti u tako tankoj atmosferi da je jedva tamo, na niskim temperaturama, tijekom navigacije autonomno.

Razgovarali smo s vodećim inženjerom i višim znanstvenikom na projektu Ingenuity u NASA-inom Jet Propulsion Labu kako bismo saznali kako su to uspjeli i kako bi mogla izgledati budućnost istraživanja Marsa.

Izazov bez presedana

Izgradnja helikoptera koji može letjeti na drugom planetu dolazi s brojnim izazovima, od kojih je najhitniji kako natjerati nešto da ostane u zraku kada je atmosfera tako rijetka. Marsova atmosfera je samo oko 1% gustoće atmosfere na Zemlji, što je ekvivalentno visini od 100 000 stopa. Da bismo pokazali koliko to čini let teškim, rekordna visina za let helikoptera na Zemlji iznosi nešto više od 40 000 stopa.

Helikopteri rade tako što pomiču zrak vrlo brzo pomoću rotirajućih lopatica, koje guraju zrak prema dolje i stvaraju uzgon. Ali na Marsu, razrijeđeni zrak nudi vrlo malo uzgona, čak i kada se pomiče lopaticama. Iako je dizajnerima donekle pomogla činjenica da je gravitacija niža na Marsu, nešto više od trećine sile gravitacije na Zemljo, još uvijek je postojao značajan problem izrade letjelice koja bi se mogla nositi samo s tankom atmosferom za rad s.

"Rješenje tog problema je mala masa", rekao je Josh Ravich, voditelj strojarstva za Ingenuity, za Digital Trends, "što je bila sveukupno najteži izazov u cijeloj misiji, održati nisku masu.” Cijeli helikopter trebao je težiti ispod 4 funte (1.8 kilograma) što je zahtijevalo korištenje pažljivo odabranih materijala, a glavna šasija je vrlo mala, kao kocka od 14 cm (5,5 inča) u veličini.

A pitanje težine također je ograničilo druge aspekte zanata: “Moramo balansirati između toga kako koliko energije možete nositi u obliku baterija za pokretanje vozila i koliko velike mogu biti vaše oštrice,” Ravich rekao je. Baterije su potrebne jer se energija prikuplja pomoću solarne ploče na vrhu vozila koja omogućuje autonomno punjenje.

Lopatice helikoptera moraju biti velike - imaju raspon nešto ispod 4 stope (1,2 metra) - kako bi osigurale dovoljan uzgon za let vozila. Kako bi napravili oštrice koje su dovoljno velike i dovoljno lagane, tim je koristio nove materijale uključujući kompozite slične karbonskim vlaknima. Ukupno postoje četiri lopatice, raspoređene u dva rotora, od kojih se svaka vrti do 2400 okretaja u minuti, mnogo brže od brzine od približno 500 okretaja u minuti tipične za lopatice helikoptera na Zemlji.

Problem hladnoće

Još jedan problem koji je zahtijevao inovacije u materijalu bio je problem površinske temperature, koja noću može pasti čak do minus 100 stupnjeva Fahrenheita. Kad je tako hladno, elektronički sustavi ne rade pouzdano i vozilo treba trošiti dragocjenu snagu da ostane toplo. Tako je tim Ingenuity došao do rješenja pomoću tankih slojeva izolacije oko osjetljivih elektroničkih komponenti vozila.

"Obično biste to riješili stavljanjem puno debele izolacije, međutim, izolacija je prilično teška", rekao je Ravich. “Tako da smo završili koristeći dio same atmosfere, baš kao što bi patka ili guska imale sloj izolacije ispod perja, mi koristimo plin iz atmosfere Marsa. Ako koristite dovoljno tanke toplinske deke, možete dobiti malo izolacije.”

Posljednji komplicirani problem uzrokovan hladnoćom je problem kako prigušujući materijali reagiraju na niske temperature. "Većina helikoptera na Zemlji ima fizičke elastične prigušivače koji podižu težinu koja dolazi u središnje čvorište helikoptera", rekao je. Ovi prigušivači apsorbiraju značajne vibracije uzrokovane oštricama koje se vrte vrlo velikom brzinom. "Ali oni ne rade tako dobro na temperaturama Marsa, pa smo morali dosta dizajnirati kako bi to funkcioniralo kao čvršći sustav."

Autonomni istraživač

Nije moguće izravno letjeti helikopterom sa Zemlje zbog kašnjenja komunikacije od nekoliko minuta između ovog mjesta i Marsa. Umjesto toga, Ingenuity će biti uglavnom autonoman, koristeći svoje senzore za otkrivanje okoline oko sebe i kretanje u skladu s tim.

Za ovaj će zadatak koristiti ugrađene instrumente uključujući navigacijsku kameru, laserski visinomjer i paket žiroskopa akcelerometra koji se naziva inercijalna mjerna jedinica (IMU). Koristeći ove alate, letjelica može odrediti kamo se kreće i koliko je udaljena od tla. Može čak i otkriti opasnost kako bi izbjegao potencijalne prepreke na svom putu.

To znači da tehničari na zemlji daju letjelici plan leta, a zatim ga Ingenuity može izvršiti, kao što je objasnio Ravich: “Način na koji se helikopterom upravlja je da mi unesite plan leta, zapravo putanju leta, govoreći "okreni lopatice ovoliko dugo, leti do ovdje, okreni se, leti ovamo"... a zatim Ingenuity radi taj niz sebe."

Helikopter treba ostati u komunikacijskom dometu s roverom, koji je otprilike jedan kilometar, i idealno bi trebao imati izravnu liniju vidljivosti. No osim toga, Ingenuity može raditi samostalno i puniti, uzlijetati i slijetati bez ikakve podrške rovera. Plan je da se helikopter uhvati u koštac s jednim po jednim izazovom, kako bi se vidjelo koliko je sposoban za manevriranje oko planeta.

"Letjet ćemo u nizu sve složenijih misija", rekao je Ravich. “Nominalno, misija se sastoji od jednog do tri leta, ali može biti čak pet letova, ovisno o tome kako se stvari odvijaju... Svaki let će biti malo složeniji. Prvi, dići ćemo se, lebdjeti okolo, sletjeti. Drugi bi mogao biti ustati, okrenuti se, možda se malo pomaknuti, zatim se vratiti i sletjeti. Pred kraj, ako stvari budu išle dobro, mogli bi odlučiti ustati, odletjeti tim putem i pronaći novo mjesto za slijetanje i zadržati ga kao sljedeću bazu operacija.”

Dokazivanje pojma

Ingenuity nije zamišljen kao znanstvena misija, tako da neće prikupljati znanstvene podatke - iako se stručnjaci nadaju da će moći iskoristiti neke od podataka koje prikuplja. Cilj misije je pokazati da je tehnološki izvedivo letjeti rotorcraftom na drugom planetu i prikupiti inženjerske podatke koji će pomoći u projektiranju budućih helikoptera za Mars.

To znači da postoji određeni stupanj fleksibilnosti u načinu na koji se letjelica može kretati, budući da nema potrebe za manevriranjem na točno određeno mjesto na površini. Letjelica će vjerojatno ostati unutar nekoliko stotina metara od rovera Perseverance, tako da se može postaviti u odnosu na to. "Do neke mjere, mislim da nije previše važno koliko smo precizni dok letimo - helikopter će točno znati gdje misli da je", rekao je Ravich. "S više razine, nije previše važno je li 10 stopa ovamo ili 10 stopa onamo kad sleti - sve dok sleti sigurno."

Pomoć iz zraka

Ako koncept Ingenuity funkcionira u praksi kako se predviđa, helikopteri bi mogli pružiti neprocjenjivu vrijednost pomoć budućim misijama rovera, snimanje slika površine i ubrzavanje istraživanja točan.

Matt Golombek, veteran znanstvenih misija na Mars koji se specijalizirao za odabir mjesta slijetanja na Mars i koji je bio glavni istraživač za prvi prijedlog helikoptera za Mars, objasnio je za Digital Trends kako bi helikopteri mogli biti korisni za buduća istraživanja operacije.

Popunjavanje praznine u razlučivosti

Jedan od najvrjednijih zadataka koje bi buduće misije helikoptera mogle obaviti bilo bi snimanje fotografija visoke rezolucije kako bi se popunilo ono što je poznato kao "praznina rezolucije" slika površine Marsa. Ovo se odnosi na “razliku između slika najveće rezolucije koje imamo iz orbite, koje su oko 25 centimetara (oko 10 inča) po pikselu i tzv. HiRISE slike, u odnosu na ono što možete vidjeti na zemlji u prethodnim misijama rovera, gdje je naša rezolucija nešto bliže 3 centimetra po pikselu,” rekao je Golombek. "To je otprilike jedan red veličine."

Iako su slike površine planeta visoke razlučivosti snimljene instrumentom HiRISE nevjerojatno detaljne s obzirom da su snimljene iz orbite, nisu dovoljno detaljni da pokažu strukturne značajke zemlje poput izdanaka ili da identificiraju područja od znanstvenog interesa kao što su određene stijene za rovere posjetiti. Stoga roveri moraju istraživati ​​oko područja u koje slijeću kako bi pronašli stijene ili druge značajke koje su znanstveno zanimljive za istraživanje.

Helikopter bi se mogao koristiti kao izviđač za misije rovera, snimajući slike koje su detaljnije od onih koje je moguće iz orbite. Ove bi se slike mogle koristiti za identificiranje područja od posebnog znanstvenog interesa, tako da tim može poslati rover točno do najvrjednijih ciljeva za istraživanje.

Širenje područja pokrivenosti rovera

Jedna stvar koju možda ne shvaćate o misijama rovera na Mars je koliko malo područje pokriva svaki rover, budući da imaju ograničenu snagu za rad, a svaki pokret koji naprave mora biti pažljivo isplaniran. Na primjer, Perseverance će tijekom svoje glavne misije prijeći između 3 i 12 milja (5 do 20 kilometara). A najudaljeniji rover na planeti, Opportunity, prešao je nevjerojatnih 28 milja (45 kilometara) tijekom svog 14-godišnjeg životnog vijeka. Koliko god to bilo impresivno za rover koji istražuje daleki planet, te udaljenosti predstavljaju samo djelić ukupne površine Marsa.

Na primjer, roveru bi mogli trebati tjedni da prijeđe kilometar. Dok bi Ingenuity mogao prijeći do jednog kilometra za samo 90 sekundi, iako tim ne planira voziti helikopter tako velikom brzinom u svojoj prvoj misiji. Ali budući helikopteri mogli bi istraživati ​​puno veće područje planeta, a slike koje bi snimili bile bi neprocjenjive za stavljanje otkrića rovera u širi kontekst. Takve bi slike pomogle znanstvenicima da razumiju globalnu geologiju planeta i pokazale bi im jesu li područja koja proučava rover reprezentativna za šire marsovsko okruženje.

Helikopter bi također mogao pomoći u proširenju područja istraživanja značajno smanjujući vrijeme koje je potrebno roverima za navigaciju oko površine. Trenutačno se rute vožnje rovera određuju korištenjem slika najveće rezolucije koje su dostupne, ali ove slike ne prikazuju uvijek prepreke ili opasnosti pa se vozači moraju kretati polako i pažljivo.

"Tipično, maksimalni roveri koji voze dnevno je 60 do 100 metara", rekao je Golombek. “Ali da imate ove informacije visoke razlučivosti, to bi vam konkretno reklo gdje je sigurna vožnja putova, mogli biste to lako udvostručiti ili utrostručiti i tako stići na svoje odredište mnogo brže.”

Traženje mjesta za slijetanje

Međutim, prije nego što rover može istraživati, mora sletjeti. Proces odabira mjesta slijetanja također bi mogao imati koristi od potpore iz zraka.

"Odabir mjesta slijetanja je kombinacija karakteriziranja koliko je sigurna površina za slijetanje sa svemirskom letjelicom koju ste dizajnirali i izgradili - landeri ne vole ispod sebe imati veliko kamenje koje bi ih moglo probosti ili prevrnuti, strme padine općenito nisu dobra stvar, a područja koja su vrlo pahuljasta u koja biste mogli potonuti loši su izbori — tako da postoji čitav niz onoga što nazivamo inženjerskim ograničenjima," rekao je Golombek.

Ova inženjerska ograničenja također su komplicirana tankom Marsovom atmosferom, jer to otežava vozilima da se usporavaju pomoću padobrana dok dolaze na slijetanje. Dakle, tim mora uzeti u obzir i visinu mjesta slijetanja, kako bi osigurao da vozilo tamo može sigurno sletjeti.

“I onda imate znanstvene ciljeve, koji se temelje na korisnom teretu koji nosite i znanstveni ciljevi misije — stvari koje želite naučiti i saznati o Marsu,” rekao je na. "I morate sve to zajedno izvagati kako biste došli do mjesta [za slijetanje] koje je i sigurno i također znanstveno zanimljivo za tu konkretnu misiju."

Ljudi koji biraju mjesta slijetanja, poput Golombeka, oslanjaju se uglavnom na slike snimljene iz orbite kako bi otkrili koja će mjesta zadovoljiti te kriterije. I najmanja odstupanja od očekivanog mogu uzrokovati probleme, poput onih s kojima se susreo lender InSight koji je sletio na Mars 2018. Tim InSighta uspio je pronaći mjesto koje je bilo primjereno ravno i bez kamenja, a njihova su predviđanja o materijalima koji čine površinu bila posve točna. Međutim, pokazalo se da je tlo ispod površine gdje se nalazi lender malo drugačije od očekivanog, budući da je zbijeno u čvršći materijal koji se zove duracrust. I to je uzrokovalo mnoge probleme u pokušaju zakopajte toplinsku sondu lendera ispod površine.

"Uvijek postoji dvosmislenost u orbitalnim podacima koje koristite da biste zaključili što je stvarno dolje na površini", rekao je Golombek. "Općenito, za odabir mjesta slijetanja bili smo vrlo dobri u mjerenju i karakteriziranju inženjerskih ograničenja - stijena obilje i padine, i tako dalje — uglavnom zato što su HiRISE slike dovoljno visoke razlučivosti da vide veliko kamenje i mjere padinama. Ali bili smo malo manje precizni u razumijevanju onoga što bih nazvao geološkim okruženjem. Odnosno, kako je to područje nastalo, koje su glavne geološke sile koje su ga oblikovale. To je bilo teže.”

Kako slike dobivene iz orbite imaju ograničenu rezoluciju, teško je vidjeti vrste detalja koji su potrebni za najprecizniju identifikaciju ciljeva od znanstvenog interesa, kao što su određeni sedimenti stijene. Imati slike puno veće razlučivosti poput onih koje bi se mogle snimiti helikopterom bilo bi neprocjenjivo birajući mjesta za slijetanje koja su sigurna za vozila i maksimizirala šanse za stvaranje važnih znanstvenih nalazima.

Helikopteri bi čak mogli nositi različite vrste instrumenata kao što je radar koji prodire u zemlju koji bi znanstvenicima mogao izravno reći što se krije ispod Marsove površine.

Povezano:Radar koji prodire u zemlju za beton

Lov na život odozgo

Ipak, helikopteri bi se mogli koristiti za više od puke podrške drugim misijama. Takav bi stroj potencijalno mogao biti opremljen bilo kojom vrstom kamere, poput radara, infracrvenih ili termovizijskih instrumenata koji mogu otkriti sastav i mineralogiju Marsovog tla.

Ovo je važno jer ovi alati mogu identificirati određene minerale, poput gline, koji nastaju kada je prisutna voda. Područja s visokom gustoćom ovih glinenih minerala ključne su mete za istraživanje postoje li možda nekada postojao život na Marsu.

Neki od najzanimljivijih ciljeva za istraživanje znanstvenika su strmine ili strme litice nastale erozijom, jer one otkrivaju slojeve stijena koji su nastali tijekom vremena. Gledanje ovih slojeva je kao gledanje unatrag u povijest Marsa. Međutim, budući da su strma i stjenovita, ova područja roverima je teško istražiti i moraju postupati vrlo pažljivo. Rover Opportunity, primjerice, proveo je cijelu godinu pažljivo vozeći oko ruba jedne takve strmine slikati, dok su se "te vrste slika mogle dobiti helikopterom za nekoliko dana", Golombek rekao je.

Kada su ga pitali postoji li određena lokacija na Marsu koju bi on osobno želio istražiti helikopterima, Golombek se nasmijao. "Ima ih na stotine - tisuće!" On je rekao. “Površina Marsa slična je izloženoj površini Zemlje iznad vode. Razmislite o razlikama između Grand Canyona i Himalaje, između obalnih zona i unutrašnjosti. Postoji toliko mnogo različitih mjesta koja bi vam ispričala zanimljive stvari.”

Alati u kutiji s alatima Martian

Oba su se stručnjaka složila da budućnost istraživanja Marsa nije pitanje ni helikoptera ni rovera, već korištenja oboje prema potrebi za različite zadatke.

"Ja sam inženjer u srcu, tako da su za mene svi oni alati u kutiji s alatima", rekao je Ravich. “Za atmosferska tijela poput Marsa postojat će jaki argumenti da je letjelica odgovor za sve što želite učiniti. Ako se želite spustiti u veliku rupu poput kanjona ili ako se želite popeti na planinu, to će biti najbolji odgovor. Ali uvijek postoji ograničenje onoga što možemo nositi - zato su ptice tako lagane, a slonovi nisu - tako da ćete uvijek moći raditi više znanosti i nositi više s [zemaljskim] vozilom."

Potreba za više vrsta vozila postaje još jasnija kada ljudi uđu u scenu, kada se planiraju buduće misije s ljudskom posadom na Mars. "Vjerojatno će nam trebati i jedno i drugo", rekao je Ravich. "Ako pogledate današnje ljude, mi komuniciramo s kopnenim i zračnim vozilima, i ne vidim da se to mijenja."

Preporuke urednika

• Kozmološko putovanje na posao: Zamršena logistika slanja ljudi na Mars
• Umjetne atmosfere: Kako ćemo izgraditi bazu sa zrakom koji se može disati na Marsu
• 7 minuta terora: Pregled Perseveranceove sulude sekvence slijetanja na Mars
• Marsovska prašina veliki je problem za astronaute. Evo kako se NASA bori protiv toga
• Kako će NASA-in Perseverance Rover tražiti život na Marsu