Susipažinkite su išradingumu: aukštųjų technologijų sraigtasparniu, sukurtu skristi Marse

Kai NASA šią savaitę paleis marsaeigį „Perseverance“ į Marsą, šalia jo bus įkištas palydovas. „Atlas V“ raketos nosies kūgis: sraigtasparnis pavadinimu „Ingenuity“, kuris taps pirmuoju rotoriniu lėktuvu, skridusiu kitu planeta. Šis eksperimentinis miniatiūrinis sraigtasparnis galėtų atverti visiškai naują Marso tyrinėjimo lauką, nes jis apžiūrės planetą iš oro.

Bet jei manote, kad sunku sukurti antžeminę transporto priemonę, kuri manevruotų aplink planetą, esančią už šimtų milijonų mylių, įsivaizduokite, kad bandote sukurti sraigtasparnį, kuris galėtų skristi tokioje plonoje atmosferoje, kad vos ten, esant užšalimo temperatūrai, plaukiant autonomiškai.

Kalbėjomės su vadovaujančiu inžinieriumi ir vyresniuoju mokslininku apie projektą „Išradingumas“ NASA „Jet Propulsion Lab“, kad išsiaiškintume, kaip jie tai padarė ir kaip gali atrodyti Marso tyrinėjimų ateitis.

Neregėtas iššūkis

Sukurti sraigtasparnį, galintį skristi kitoje planetoje, tenka susidurti su daugybe iššūkių, iš kurių svarbiausias – kaip priversti ką nors išlikti ore, kai atmosfera tokia plona. Marso atmosfera yra tik maždaug 1% Žemės atmosferos tankio, o tai prilygsta buvimo 100 000 pėdų aukštyje. Norėdami parodyti, kaip sunku tai apsunkina skrydį, sraigtasparnio skrydžio Žemėje aukščio rekordas yra šiek tiek daugiau nei 40 000 pėdų.

Sraigtasparniai dirba labai greitai judindami orą besisukančiomis mentėmis, kurios stumia orą žemyn ir sukuria pakėlimą. Tačiau Marse plonas oras suteikia labai mažai pakilimo, net ir judant ašmenimis. Nors dizaineriams šiek tiek padėjo tai, kad Marse gravitacija yra mažesnė, tik šiek tiek daugiau nei trečdalis gravitacijos jėgos. Žemėje, vis dar išliko didelė problema sukurti amatą, kuris galėtų dirbti tik su plona atmosfera su.

„Šios problemos sprendimas yra maža masė“, – „Digital Trends“ sakė Joshas Ravichas, „Ingenuity“ mechanikos inžinerijos vadovas, – tai buvo apskritai sunkiausias visos misijos iššūkis, išlaikyti mažą masę. Visas sraigtasparnis turėjo sverti mažiau nei 4 svarus (1,8 kilogramų), todėl reikėjo naudoti kruopščiai atrinktas medžiagas, o pagrindinė važiuoklė yra labai maža – 14 cm (5,5 colio) kubo. dydžio.

Svorio problema taip pat apribojo kitus amato aspektus: „Turime subalansuoti, kaip daug galios, kurią galite neštis kaip akumuliatorius, kad paleistumėte transporto priemonę, ir kokio dydžio gali būti jūsų peiliukai“, – Ravichas sakė. Baterijos reikalingos, nes energija renkama naudojant saulės bateriją, esančią transporto priemonės viršuje, kuri leidžia įkrauti autonomiškai.

Sraigtasparnio mentės turi būti didelės – jų atstumas yra šiek tiek mažesnis nei 4 pėdos (1,2 metro), kad būtų pakankamai keliama, kad transporto priemonė galėtų skristi. Siekdama pagaminti pakankamai didelius ir pakankamai lengvus peiliukus, komanda panaudojo naujas medžiagas, įskaitant kompozitus, panašius į anglies pluoštą. Iš viso yra keturios mentės, išdėstytos į du rotorius, kurių kiekvienas sukasi iki 2400 aps./min. greičiu, daug greičiau nei maždaug 500 aps./min., būdingas sraigtasparnio menčių Žemėje.

Šalčio problema

Kita problema, kuriai reikėjo materialinių naujovių, buvo paviršiaus temperatūros problema, kuri naktį gali nukristi iki minus 100 laipsnių pagal Farenheitą. Esant tokiam šaltukui, elektroninės sistemos neveikia patikimai ir transporto priemonė turi naudoti brangią energiją, kad išliktų šilta. Taigi „Ingenuity“ komanda sugalvojo sprendimą panaudodama plonus izoliacijos sluoksnius aplink subtilius automobilio elektroninius komponentus.

„Paprastai tai išspręstumėte įdėdami daug storos izoliacijos, tačiau izoliacija yra gana sunki“, - sakė Ravichas. „Taigi mes panaudojome dalį pačios atmosferos, kaip anties ar žąsies po plunksnomis būtų izoliacijos sluoksnis, mes naudojame Marso atmosferos dujas. Jei naudosite pakankamai plonų šiluminių antklodžių, galite gauti šiek tiek izoliacijos.

Paskutinė šalčio sukelta problema yra problema, kaip drėkinančios medžiagos reaguoja į žemą temperatūrą. „Dauguma sraigtasparnių Žemėje turi fizines elastines amortizatorius, kurios pakelia svorį, patenkantį į centrinį sraigtasparnio stebulę“, – sakė jis. Šie amortizatoriai sugeria didelę vibraciją, kurią sukelia labai dideliu greičiu besisukančios mentės. „Tačiau jie neveikia taip gerai Marso temperatūroje, todėl turėjome atlikti daug projektavimo, kad tai veiktų kaip griežtesnė sistema.

Savarankiškas tyrinėtojas

Tiesiogiai sraigtasparniu skristi iš Žemės neįmanoma dėl kelių minučių ryšio tarp čia ir Marso. Vietoj to, „Ingenuity“ daugiausia bus savarankiška, naudodama savo jutiklius, kad aptiktų aplinką ir atitinkamai judės.

Šiai užduočiai atlikti bus naudojami borto prietaisai, įskaitant navigacijos kamerą, lazerinį aukščiamatį ir akselerometro giroskopo paketą, vadinamą inerciniu matavimo vienetu (IMU). Naudodamas šiuos įrankius, laivas gali išsiaiškinti, kur jis juda ir kokiu atstumu jis yra nuo žemės. Jis netgi gali aptikti pavojų, kad išvengtų galimų kliūčių savo kelyje.

Tai reiškia, kad ant žemės esantys technikai pateikia laivui skrydžio planą, o tada „Ingenuity“ gali jį įvykdyti, kaip paaiškino Ravichas: „Sraigtasparnis skrendamas taip, kad mes Įveskite skrydžio planą, iš esmės skrydžio trajektoriją, sakydami: „Sukite ašmenis tiek ilgai, skrisk į čia, apsisuk, skrisk čia“… ir tada „Ingenuity“ atlieka tą seką. pats."

Sraigtasparnis turi būti ryšio su marsaeigiu diapazone, kuris yra maždaug vienas kilometras, ir idealiu atveju turėtų turėti tiesioginį matomumą. Tačiau be to, „Ingenuity“ gali veikti savarankiškai ir gali įkrauti, kilti ir nusileisti be jokios roverio paramos. Planuojama, kad sraigtasparnis vienu metu spręs po vieną iššūkį, kad pamatytų, kaip jis gali manevruoti aplink planetą.

„Mes vykdysime daugybę vis sudėtingesnių misijų“, - sakė Ravichas. „Nominaliai misija yra nuo vieno iki trijų skrydžių, bet tai gali būti ir penki skrydžiai, priklausomai nuo to, kaip viskas klostysis... Kiekvienas skrydis bus šiek tiek sudėtingesnis. Pirmasis, mes pakilsime, skraidinsime aplink, nusileisime. Antrasis gali būti pakilti, apsisukti, galbūt šiek tiek pajudėti, tada grįžti ir nusileisti. Pabaigoje, jei viskas klostysis gerai, jie gali nuspręsti pakilti, nuskristi tuo keliu ir rasti naują nusileidimo vietą ir palikti ją kaip kitą operacijų bazę.

Koncepcijos įrodinėjimas

Išradingumas nėra skirtas mokslinei misijai, todėl jis nerinks mokslo duomenų, nors ekspertai tikisi, kad jie galės pasinaudoti kai kuriais jos renkamais duomenimis. Misijos tikslas – parodyti, kad technologiškai įmanoma skristi rotoriniu lėktuvu kitoje planetoje ir rinkti inžinerinius duomenis, kurie padėtų kurti būsimus Marso sraigtasparnius.

Tai reiškia, kad laivas gali judėti tam tikru laipsniu, nes jam nereikia manevruoti į tikslią paviršiaus vietą. Laivas greičiausiai liks kelių šimtų jardų atstumu nuo „Perseverance“ marsaeigio, todėl jis gali atsidurti jo atžvilgiu. „Tam tikru mastu nemanau, kad labai svarbu, kaip tiksliai skrendame – sraigtasparnis tiksliai žinos, kur, jo manymu, yra“, – sakė Ravichas. „Žiūrint iš aukštesnio lygio, nėra per daug svarbu, ar jis nusileidžia 10 pėdų šitaip, ar 10 pėdų ankštis, kol jis nusileidžia saugiai.

Pagalba iš oro

Jei išradingumo koncepcija praktiškai veiks taip, kaip tikėtasi, sraigtasparniai galėtų būti neįkainojami pagalba būsimose marsaeigių misijose, fotografuojant paviršių ir pagreitinant tyrinėjimą tikslūs.

Mattas Golombekas, Marso mokslo misijų veteranas, kuris specializuojasi renkantis nusileidimo vietas Marse ir kuris buvo pagrindinis tyrėjas Pirmajam pasiūlymui dėl Marso sraigtasparnio paaiškino „Digital Trends“, kaip sraigtasparniai gali būti naudingi būsimiems tyrinėjimams operacijos.

Rezoliucijos spragos užpildymas

Viena iš vertingiausių užduočių, kurias galėtų atlikti būsimos sraigtasparnio misijos, būtų didelės raiškos nuotraukų darymas, siekiant užpildyti Marso paviršiaus vaizdų „raiškos spragą“. Tai reiškia „skirtumą tarp didžiausios skiriamosios gebos vaizdų, kuriuos turime iš orbitos, kurie yra apie 25 centimetrai (apie 10 colių) viename pikselyje ir yra vadinami HiRISE vaizdai, palyginti su tuo, ką galite pamatyti ant žemės ankstesnėse roverio misijose, kur mūsų skiriamoji geba yra maždaug 3 centimetrai pikselyje“, – sakė Golombekas. „Tai maždaug eilės tvarka“.

Nors didelės raiškos planetos paviršiaus vaizdai, padaryti naudojant HiRISE instrumentą, yra neįtikėtinai išsamūs, turint omenyje, kad jie užfiksuoti iš orbitos, jie nėra pakankamai išsamūs, kad būtų parodytos struktūrinės žemės ypatybės, pvz., atodangos, arba būtų nustatytos mokslinės svarbos sritys, pvz. apsilankymas. Taigi marsaeigiai turi tyrinėti vietovę, kurioje jie nusileidžia, kad surastų uolienų ar kitų objektų, kuriuos būtų įdomu ištirti moksliškai.

Sraigtasparnis galėtų būti naudojamas kaip žvalgas roverio misijoms, fotografuojant detalesnius vaizdus nei galimi iš orbitos. Šie vaizdai gali būti naudojami nustatant ypač svarbias mokslo sritis, todėl komanda galėtų nusiųsti marsaeigį tiesiai į vertingiausius tyrimo objektus.

Išplečiamos roverių aprėpties zonos

Vienas dalykas, kurio galbūt nesuvokiate apie Marso marsaeigio misijas, yra tai, kokį mažą plotą apima kiekvienas marsaeigis, nes jo galia yra ribota, o kiekvienas jų judesys turi būti kruopščiai suplanuotas. Pavyzdžiui, atkaklumas įveiks nuo 3 iki 12 mylių (5–20 kilometrų) per savo pagrindinę misiją. O toliausiai planetos roveris „Opportunity“ per savo 14 metų gyvavimo laikotarpį įveikė neįtikėtiną 28 mylių (45 kilometrų) atstumą. Kad ir kaip tai būtų įspūdinga marsaeigiui, tyrinėjančiam tolimą planetą, šie atstumai sudaro tik dalį viso Marso paviršiaus ploto.

Pavyzdžiui, roveris gali užtrukti kelias savaites, kad nuvažiuotų kilometrą. Tuo tarpu „Ingenuity“ galėtų nuvažiuoti iki vieno kilometro vos per 90 sekundžių, nors komanda neplanuoja sraigtasparnio paleisti tokiu dideliu greičiu per pirmąją misiją. Tačiau būsimi sraigtasparniai galėtų ištirti daug didesnį planetos plotą, o jų užfiksuoti vaizdai būtų neįkainojami norint įtraukti marsaeigių radinius į platesnį kontekstą. Tokie vaizdai padėtų mokslininkams suprasti pasaulinę planetos geologiją ir pasakyti, ar marsaeigio tyrinėtos sritys reprezentuoja didesnę Marso aplinką.

Sraigtasparnis taip pat galėtų padėti išplėsti tyrimo sritį, nes iš esmės sutrumpėja laikas, per kurį roveriai keliauja aplink paviršių. Šiuo metu rover važiavimo maršrutai nustatomi naudojant aukščiausios raiškos vaizdus, ​​​​tačiau šiuose vaizduose ne visada matomos kliūtys ar pavojai, todėl vairuotojai turi važiuoti lėtai ir atsargiai.

„Paprastai didžiausias roverių skaičius per dieną yra 60–100 metrų“, – sakė Golombekas. „Bet jei turėtumėte šią didelės raiškos informaciją, ji konkrečiai nurodys, kur saugiai važiuoti kelių buvo, galite tai lengvai padvigubinti arba patrigubinti ir pasiekti tikslą daug greičiau.

Nusileidimo vietos radimas

Tačiau, kad roveris galėtų tyrinėti, jis turi nusileisti. O nusileidimo vietos parinkimo procesui taip pat gali būti naudinga oro pagalba.

„Tūpimo vietos pasirinkimas yra derinys, apibūdinantis, kaip saugus paviršius yra nusileisti naudojant jūsų suprojektuotą ir pastatytą erdvėlaivį. nusileidusiems žmonėms nepatinka, kai po jais yra didelių akmenų, kurie gali juos įsprausti arba apvirsti, statūs šlaitai paprastai nėra geras dalykas, ir labai purios sritys, į kurias galite pasinerti, yra blogas pasirinkimas, todėl yra daugybė dalykų, kuriuos vadiname inžineriniais apribojimais. Golombekas pasakė.

Šiuos inžinerinius suvaržymus taip pat apsunkina plona Marso atmosfera, nes dėl to transporto priemonėms, leidžiančioms nusileisti, sunkiau sulėtinti greitį naudojant parašiutus. Taigi komanda taip pat turi atsižvelgti į nusileidimo vietos aukštį, kad transporto priemonė galėtų saugiai nusileisti.

„Ir tada jūs turite mokslo tikslus, kurie yra pagrįsti jūsų vežamu kroviniu ir tuo misijos moksliniai tikslai – dalykai, kuriuos norite sužinoti ir sužinoti apie Marsą“, – kalbėjo jis įjungta. „Ir jūs turite pasverti visus tuos kartu, kad surastumėte vietą [nusileisti], kuri būtų saugi ir moksliškai įdomi tai konkrečiai misijai.

Žmonės, kurie pasirenka nusileidimo svetaines, pvz., Golombekas, daugiausia remiasi vaizdais, paimtais iš orbitos, kad išsiaiškintų, kurios svetainės atitiks šiuos kriterijus. Ir menkiausi nukrypimai nuo to, ko tikimasi, gali sukelti problemų, pavyzdžiui, tokių, kurias patiria 2018 m. Marse nusileidęs InSight nusileidimas. „InSight“ komandai pavyko rasti vietą, kuri būtų tinkamai lygi ir be uolų, o jų prognozės apie paviršių sudarančias medžiagas buvo visiškai tikslios. Tačiau dirvožemis, esantis po nutūpimo aparato paviršiumi, buvo šiek tiek kitoks nei tikėtasi, nes buvo sutankintas į kietesnę medžiagą, vadinamą durakrustu. Ir tai sukėlė daug problemų bandant palaidoti nusileidimo įrenginio šilumos zondą po paviršiumi.

„Orbitos duomenys, kuriuos naudojate norėdami nuspręsti, kas iš tikrųjų yra ant paviršiaus, visada yra dviprasmiški“, - sakė Golombekas. „Apskritai, pasirinkdami nusileidimo vietą, mums puikiai sekėsi išmatuoti ir apibūdinti inžinerinius suvaržymus – uolą. gausa, šlaitai ir tt – daugiausia dėl to, kad HiRISE vaizdai yra pakankamai didelės raiškos, kad būtų galima pamatyti dideles uolas ir matuoti šlaitai. Tačiau mes buvome šiek tiek ne tokie tikslūs, kad suprastume, ką pavadinčiau geologine aplinka. Tai yra, kaip ta sritis atsirado, kokios buvo pagrindinės geologinės jėgos, suformavusios ją. Tai buvo sunkiau“.

Kadangi iš orbitos gautų vaizdų skiriamoji geba yra ribota, sunku įžvelgti tam tikras detales kurių reikia norint tiksliausiai nustatyti mokslinės svarbos objektus, pvz., tam tikras nuosėdas akmenys. Turėti daug didesnės raiškos vaizdus, ​​tokius, kuriuos būtų galima užfiksuoti sraigtasparniu, būtų neįkainojama parenkamos nusileidimo vietos, kurios būtų saugios transporto priemonėms ir padidintų tikimybę padaryti svarbias mokslines išvadų.

Sraigtasparniai netgi galėtų gabenti įvairius instrumentus, pavyzdžiui, į žemę skverbiamasi radarais, kurie galėtų tiesiogiai pasakyti mokslininkams apie tai, kas slypi po Marso paviršiumi.

Susijęs:Į žemę skverbiamasis betono radaras

Gyvybės medžioklė iš viršaus

Tačiau sraigtasparniai gali būti naudojami ne tik kitų misijų palaikymui. Tokia mašina gali būti aprūpinta bet kokio tipo kameromis, pavyzdžiui, radaru, infraraudonųjų spindulių ar terminio vaizdo prietaisais, kurie gali atskleisti Marso žemės sudėtį ir mineralogiją.

Tai svarbu, nes šiais įrankiais galima nustatyti tam tikrus mineralus, pvz., molį, kurie susidaro esant vandeniui. Teritorijos, kuriose yra didelis šių molio mineralų tankis, yra pagrindiniai mokslinių tyrimų tikslai kadaise galėjo būti gyvybė Marse.

Vieni įdomiausių taikinių, kuriuos tyrinėja mokslininkai, yra šlaitai arba stačios uolos, susidariusios dėl erozijos, nes jos atskleidžia laikui bėgant susiklosčiusius uolienų sluoksnius. Žiūrėti į šiuos sluoksnius tarsi atsigręžiama į Marso istoriją. Tačiau kadangi jos yra stačios ir uolėtos, jas marsaeigiams sunku ištirti ir jie turi važiuoti labai atsargiai. Pavyzdžiui, roveris „Opportunity“ ištisus metus atsargiai važinėjo vieno tokio atodangos kraštu atvaizduoti, o „tokius vaizdus sraigtasparnis galėjo gauti per kelias dienas“, Golombekas sakė.

Paklaustas, ar Marse yra konkreti vieta, kurią jis asmeniškai norėtų tyrinėti sraigtasparniais, Golombekas nusijuokė. "Yra šimtai - tūkstančiai!" jis pasakė. „Marso paviršiaus plotas yra panašus į atvirą paviršiaus plotą virš vandens. Pagalvokite apie skirtumus tarp Didžiojo kanjono ir Himalajų, tarp pakrantės zonų ir interjerų. Yra tiek daug skirtingų vietų, kurios pasakytų įdomių dalykų.

Įrankiai Marso įrankių dėžėje

Abu ekspertai sutiko, kad Marso tyrinėjimų ateitis priklauso ne nuo sraigtasparnių ar roverių, o nuo jų panaudojimo, kaip reikia skirtingoms užduotims.

„Širdyje esu inžinierius, todėl man jie visi yra įrankių dėžėje esantys įrankiai“, – sakė Ravichas. „Atmosferos kūnams, tokiems kaip Marsas, yra rimtas atvejis, kad orlaivis yra atsakymas į tai, ką norite padaryti. Jei norite nusileisti į didelę skylę, pavyzdžiui, kanjoną, arba jei norite įkopti į kalną, tai bus geriausias atsakymas. Tačiau visada yra riba, ką galime vežti – štai kodėl paukščiai tokie lengvi, o drambliai ne – todėl visada galėsite nuveikti daugiau mokslo ir vežti daugiau su [antžemine] transporto priemone.

Įvairių tipų transporto priemonių poreikis tampa dar aiškesnis, kai į paveikslą patenka žmonės, planuojant būsimas pilotuojamas misijas į Marsą. "Mums tikriausiai taip pat reikės abiejų", - sakė Ravichas. „Jei pažvelgtumėte į žmones šiandien, mes bendraujame su antžeminėmis transporto priemonėmis ir oro transporto priemonėmis, ir aš nemanau, kad tai keičiasi.

Redaktorių rekomendacijos

• Kosmologinė kelionė į darbą ir atgal: sudėtinga logistika, kai žmonės iškeliauja į Marsą
• Dirbtinė atmosfera: kaip Marse pastatysime bazę su kvėpuojančiu oru
• 7 siaubo minutės: „Perseverance“ beprotiškos nusileidimo Marse sekos sutrikimas
• Marso dulkės yra didelė astronautų problema. Štai kaip NASA su tuo kovoja
• Kaip NASA „Perseverance Rover“ ieškos gyvybės Marse