Iepazīstieties ar Atjautību: augsto tehnoloģiju helikopters, kas paredzēts lidošanai uz Marsa

Kad NASA šonedēļ palaidīs Perseverance roveru savā ceļojumā uz Marsu, tam blakus būs pavadonis. Atlas V raķetes deguna konuss: helikopters ar nosaukumu Ingenuity, kas kļūs par pirmo rotorkuģi, kas lidos ar citu planēta. Šis eksperimentālais miniatūrais helikopters varētu atvērt pilnīgi jaunu Marsa izpētes lauku, jo tas apseko planētu no gaisa.

Bet, ja uzskatāt, ka ir grūti izveidot sauszemes transportlīdzekli, lai manevrētu ap planētu simtiem miljonu jūdžu attālumā, iedomājieties, ka mēģināt izstrādāt helikopteru, kas navigācijas laikā var lidot tik plānā atmosfērā, ka tik tikko tur atrodas, zemā temperatūrā autonomi.

Mēs runājām ar vadošo inženieri un vecāko zinātnieku par Ingenuity projektu NASA Jet Propulsion Lab, lai uzzinātu, kā viņi to paveica un kāda varētu izskatīties Marsa izpētes nākotne.

Bezprecedenta izaicinājums

Lai izveidotu helikopteru, kas var lidot uz citas planētas, nākas saskarties ar daudziem izaicinājumiem, no kuriem vissvarīgākais ir panākt, lai kaut kas paliktu gaisā, kad atmosfēra ir tik plāna. Marsa atmosfēra ir tikai aptuveni 1% no atmosfēras blīvuma uz Zemes, kas ir līdzvērtīga atrašanās vietai 100 000 pēdu augstumā. Lai parādītu, cik grūti tas padara lidojumu, helikoptera lidojuma augstuma rekords uz Zemes ir nedaudz vairāk par 40 000 pēdām.

Helikopteri strādā, ļoti ātri pārvietojot gaisu, izmantojot rotējošus lāpstiņas, kas spiež gaisu uz leju un rada pacēlumu. Taču uz Marsa retajam gaisam ir ļoti mazs pacēlums, pat ja to pārvieto ar asmeņiem. Lai gan dizaineri guva zināmu palīdzību no tā, ka uz Marsa gravitācija ir mazāka, tikai nedaudz vairāk par trešdaļu no gravitācijas spēka. Zeme, joprojām pastāvēja nopietna problēma, lai izveidotu kuģi, kas varētu darboties tikai ar vāju atmosfēru ar.

"Šīs problēmas risinājums ir maza masa," sacīja Džošs Ravičs, Ingenuity mašīnbūves vadītājs, Digital Trends, "kas bija kopumā grūtākais uzdevums visā misijā, lai masa būtu zema. Visam helikopteram vajadzēja svērt mazāk nekā 4 mārciņas (1.8 kilogramus), kas bija nepieciešams, izmantojot rūpīgi atlasītus materiālus, un galvenā šasija ir ļoti maza, jo tā ir 14 cm (5,5 collas) liela kuba. izmērā.

Un svara problēma ierobežo arī citus amatniecības aspektus: “Mums ir jābalansē starp to, kā daudz enerģijas, ko varat pārvadāt akumulatoru veidā, lai darbinātu transportlīdzekli, un cik lieli var būt jūsu asmeņi,” Ravihs teica. Akumulatori ir nepieciešami, jo enerģija tiek savākta, izmantojot saules bateriju paneli, kas atrodas transportlīdzekļa augšpusē, kas ļauj to uzlādēt autonomi.

Helikoptera lāpstiņām ir jābūt lieliem — to attālums ir nedaudz mazāks par 4 pēdām (1,2 metriem), lai nodrošinātu pietiekamu pacēlumu, lai transportlīdzeklis varētu lidot. Lai izgatavotu pietiekami lielus un pietiekami vieglus asmeņus, komanda izmantoja jaunus materiālus, tostarp oglekļa šķiedrai līdzīgus kompozītmateriālus. Kopumā ir četri lāpstiņas, kas sakārtotas divos rotoros, no kuriem katrs griežas ar ātrumu līdz 2400 apgr./min, kas ir daudz ātrāk nekā aptuveni 500 apgr./min, kas raksturīgs helikoptera lāpstiņām uz Zemes.

Aukstuma problēma

Vēl viena problēma, kurai bija nepieciešami materiāli jauninājumi, bija virsmas temperatūras problēma, kas naktī var pazemināties līdz mīnus 100 grādiem pēc Fārenheita. Kad ir tik auksts, elektroniskās sistēmas nedarbojas uzticami, un transportlīdzeklim ir jāizmanto vērtīga jauda, ​​lai saglabātu siltumu. Tāpēc Ingenuity komanda nāca klajā ar risinājumu, izmantojot plānus izolācijas slāņus ap transportlīdzekļa smalkajām elektroniskajām sastāvdaļām.

"Parasti jūs to atrisinātu, ievietojot tajā daudz biezas izolācijas, taču izolācija ir diezgan smaga," sacīja Ravičs. “Tāpēc mēs izmantojām daļu no pašas atmosfēras, tāpat kā pīlei vai zoss zem spalvām būtu izolācijas slānis, mēs izmantojam gāzi no Marsa atmosfēras. Ja izmantojat pietiekami plānas termosegas, varat iegūt nedaudz izolācijas.

Pēdējā sarežģītākā problēma, ko izraisa aukstums, ir problēma, kā slāpējošie materiāli reaģē uz zemu temperatūru. "Lielākajai daļai helikopteru uz Zemes ir fiziski elastīgi amortizatori, kas paceļ svaru, kas nonāk helikoptera centrālajā centrmezglā," viņš teica. Šie amortizatori absorbē ievērojamās vibrācijas, ko rada lāpstiņas, kas griežas ļoti lielā ātrumā. "Bet tie nedarbojas tik labi Marsa temperatūrā, tāpēc mums bija jāveic daudz dizaina, lai tā darbotos kā stingrāka sistēma."

Autonoms pētnieks

Nav iespējams tieši lidot ar helikopteru no Zemes, jo starp šejieni un Marsu ir vairāku minūšu sakaru aizkave. Tā vietā Ingenuity lielākoties būs autonoma, izmantojot sensorus, lai noteiktu apkārtējo vidi un attiecīgi pārvietotos.

Šim uzdevumam tas izmantos iebūvētos instrumentus, tostarp navigācijas kameru, lāzera altimetru un akselerometra žiroskopa paketi, ko sauc par inerciālo mērvienību (IMU). Izmantojot šos rīkus, kuģis var noteikt, kurp tas virzās un cik tālu tas atrodas no zemes. Tas pat var veikt zināmu apdraudējumu noteikšanu, lai izvairītos no iespējamiem šķēršļiem savā ceļā.

Tas nozīmē, ka tehniķi uz zemes sniedz kuģim lidojuma plānu, un pēc tam Ingenuity var to izpildīt, kā paskaidroja Ravihs: “Helikoptera lidojums ir tāds, ka mēs ievadiet lidojuma plānu, būtībā lidojuma trajektoriju, sakot: “Pagrieziet lāpstiņas tik ilgi, lidojiet uz šejieni, apgriezieties, lidojiet pāri šeit”… un tad Ingenuity veic šo secību pati par sevi."

Helikopteram ir jāatrodas sakaru diapazonā ar roveru, kas ir aptuveni viens kilometrs, un ideālā gadījumā tam vajadzētu būt tiešai redzamības līnijai. Taču papildus tam Ingenuity var darboties neatkarīgi un var uzlādēt, pacelties un nolaisties bez jebkāda rovera atbalsta. Plānots, ka helikopters vienlaikus risinās vienu izaicinājumu, lai redzētu, cik tas spēj manevrēt apkārt planētai.

"Mēs veiksim virkni arvien sarežģītāku misiju," sacīja Ravičs. "Nomināli misija ir viens līdz trīs lidojumi, bet atkarībā no tā, kā viss notiek, tie varētu būt pat pieci lidojumi... Katrs lidojums būs nedaudz sarežģītāks. Pirmais, mēs pacelsimies, lidosim apkārt, nolaidīsimies. Otrais varētu būt piecelties, apgriezties, varbūt nedaudz pakustēties, tad atgriezties un nolaisties. Beigās, ja viss iet labi, viņi varētu nolemt piecelties, aizlidot tādā veidā un atrast jaunu nolaišanās vietu un paturēt to kā nākamo operāciju bāzi.

Koncepcijas pierādīšana

Atjautība nav paredzēta kā zinātniska misija, tāpēc tā neapkopos zinātniskos datus, lai gan eksperti cer, ka viņi varēs izmantot dažus tās apkopotos datus. Misijas mērķis ir parādīt, ka ir tehnoloģiski iespējams lidot ar rotorplānu uz citas planētas, un apkopot inženiertehniskos datus, lai palīdzētu izstrādāt nākamos Marsa helikopterus.

Tas nozīmē, ka ir zināma elastība attiecībā uz to, kā kuģis var pārvietoties, jo tai nav nepieciešams manevrēt uz precīzu vietu uz virsmas. Kuģis, visticamāk, atradīsies dažu simtu jardu rādiusā no Perseverance rovera, lai tas varētu novietoties attiecībā pret to. "Zināmā mērā es nedomāju, ka ir pārāk svarīgi, cik precīzi mēs lidojam — helikopters precīzi zinās, kur, pēc tā domām, atrodas," sacīja Ravičs. "No augstāka līmeņa nav pārāk svarīgi, vai tas ir 10 pēdas šajā virzienā vai 10 pēdas šajā virzienā, kad tas nolaižas, ja vien tas nolaižas droši."

Palīdzība no gaisa

Ja Atjautības koncepcija praksē darbosies, kā paredzēts, helikopteri varētu sniegt nenovērtējamu palīdzība turpmākajās rovera misijās, uzņemot virsmas attēlus un padarot izpēti ātrāku un vairāk precīzs.

Mets Golombeks, Marsa zinātnes misiju veterāns, kurš specializējas nosēšanās vietu izvēlē uz Marsa un kurš bija galvenais pētnieks par pirmo Marsa helikoptera priekšlikumu paskaidroja Digital Trends, kā helikopteri varētu būt noderīgi turpmākajā izpētē operācijas.

Izšķirtspējas nepilnības aizpildīšana

Viens no vērtīgākajiem uzdevumiem, ko varētu veikt turpmākās helikopteru misijas, būtu augstas izšķirtspējas fotoattēlu uzņemšana, lai aizpildītu tā saukto Marsa virsmas attēlu "izšķirtspējas plaisu". Tas attiecas uz "atšķirību starp visaugstākās izšķirtspējas attēliem, kas mums ir no orbītas, kas ir aptuveni 25 centimetri (apmēram 10 collas) uz vienu pikseļu un tiek saukti HiRISE attēli, salīdzinot ar to, ko jūs varat redzēt uz zemes iepriekšējās rovera misijās, kur mūsu izšķirtspēja ir tuvāk 3 centimetriem uz pikseļu,” sacīja Golombeks. "Tas ir apmēram par lielumu."

Lai gan planētas virsmas augstas izšķirtspējas attēli, kas uzņemti, izmantojot HiRISE instrumentu, ir neticami detalizēti, ņemot vērā, ka tie ir uzņemti no orbītas, nav pietiekami detalizēti, lai parādītu zemes strukturālās iezīmes, piemēram, atsegumus, vai identificētu zinātniski nozīmīgas jomas, piemēram, īpašus klintis roveriem. apmeklējums. Tāpēc roveriem ir jāizpēta apgabals, kurā tie nolaižas, lai atrastu akmeņus vai citus objektus, kurus ir zinātniski interesanti izpētīt.

Helikopteru varētu izmantot kā izlūku rovera misijās, uzņemot attēlus, kas ir detalizētāki nekā tie, kas ir iespējami no orbītas. Šos attēlus varētu izmantot, lai identificētu jomas, kas rada īpašu zinātnisku interesi, lai komanda varētu nosūtīt roveri tieši uz vērtīgākajiem pētniecības mērķiem.

Roveru pārklājuma zonu paplašināšana

Viena lieta, ko jūs, iespējams, nenojaušat par Marsa rovera misijām, ir tas, cik mazs ir katrs marsētājs, jo tiem ir ierobežota jauda darbībai, un katra kustība ir rūpīgi jāplāno. Piemēram, neatlaidība, veicot galveno uzdevumu, nosegs no 3 līdz 12 jūdzēm (5 līdz 20 kilometriem). Un planētas vistālāk esošais roveris Opportunity savā 14 gadu mūžā nobrauca neticami 28 jūdzes (45 kilometrus). Lai cik iespaidīgi tas būtu roverim, kas pēta tālu planētu, šie attālumi ir tikai daļa no Marsa kopējās virsmas laukuma.

Piemēram, roverim var paiet nedēļas, lai nobrauktu vienu kilometru. Tā kā Ingenuity varētu nobraukt līdz vienam kilometram tikai 90 sekundēs, lai gan komanda neplāno palaist helikopteru tik lielā ātrumā savā pirmajā misijā. Taču nākotnes helikopteri varētu izpētīt daudz lielāku planētas apgabalu, un to uzņemtie attēli būtu nenovērtējami, lai rovera atklājumus iekļautu plašākā kontekstā. Šādi attēli palīdzētu zinātniekiem izprast planētas globālo ģeoloģiju un pateikt, vai rovera pētītie apgabali reprezentē lielāko Marsa vidi.

Helikopters varētu arī palīdzēt paplašināt izmeklēšanas zonu, ievērojami samazinot laiku, kas nepieciešams roveriem, lai pārvietotos pa virsmu. Pašlaik rovera braukšanas maršruti tiek noteikti, izmantojot pieejamos augstākās izšķirtspējas attēlus, bet šajos attēlos ne vienmēr ir redzami šķēršļi vai briesmas, tāpēc autovadītājiem ir jāpārvietojas lēni un uzmanīgi.

"Parasti maksimālais roveri nobrauciens dienā ir 60 līdz 100 metri," sacīja Golombeks. "Bet, ja jums būtu šī augstas izšķirtspējas informācija, tā jums precīzi pateiktu, kur droši braukt ceļi bija, jūs varētu to viegli dubultot vai trīskāršot un tādējādi nokļūt galamērķī daudz ātrāk.

Nolaišanās vietas atrašana

Tomēr, lai roveris varētu izpētīt, tam ir jānolaižas. Un nosēšanās vietas izvēles process varētu gūt labumu arī no gaisa atbalsta.

“Nolaišanās vietas izvēle ir kombinācija, kas raksturo, cik droša ir virsma, lai nolaistos ar jūsu projektēto un uzbūvēto kosmosa kuģi. nosēdētājiem nepatīk, ja zem tiem ir lieli akmeņi, kas varētu tos iesist vai apgāzt, stāvas nogāzes parasti nav laba lieta, un jomas, kas ir ļoti pūkainas un kurās jūs varētu iegrimt, ir slikta izvēle — tāpēc ir vesela virkne to, ko mēs saucam par inženiertehniskiem ierobežojumiem. Golombeks teica.

Šos inženiertehniskos ierobežojumus sarežģī arī Marsa plānā atmosfēra, jo tādējādi transportlīdzekļiem ir grūtāk palēnināt sevi, izmantojot izpletņus, kad tie nonāk nosēšanās laikā. Tāpēc komandai ir jāapsver arī nolaišanās vietas paaugstinājums, lai nodrošinātu, ka transportlīdzeklis tur var droši nolaisties.

"Un tad jums ir zinātnes mērķi, kas ir balstīti uz jūsu pārvadājamo kravnesību un misijas zinātniskie mērķi — lietas, ko vēlaties uzzināt un uzzināt par Marsu," viņš sacīja ieslēgts. "Un jums ir jāizsver visi kopā, lai atrastu vietu [nolaišanās], kas ir gan droša, gan arī zinātniski interesanta konkrētajai misijai."

Cilvēki, kuri izvēlas nolaišanās vietas, piemēram, Golombek, lielākoties paļaujas uz attēliem, kas uzņemti no orbītas, lai noskaidrotu, kuras vietnes atbildīs šiem kritērijiem. Un mazākās novirzes no sagaidāmā var radīt problēmas, piemēram, tās, kuras piedzīvo InSight nolaišanās iekārta, kas nolaidās uz Marsa 2018. gadā. InSight komandai izdevās atrast vietu, kas bija atbilstoši plakana un bez akmeņiem, un viņu prognozes par materiāliem, kas veido virsmu, bija pilnīgi precīzas. Tomēr augsne zem nolaižamās mašīnas virsmas izrādījās nedaudz atšķirīga, nekā gaidīts, jo tā tika sablīvēta stingrākā materiālā, ko sauc par durakrustu. Un tas ir radījis daudzas problēmas, mēģinot to darīt apglabājiet nolaišanās ierīces siltuma zondi zem virsmas.

"Orbitālajos datos, ko izmantojat, lai secinātu, kas patiesībā atrodas uz virsmas, vienmēr ir neskaidrības," sacīja Golombeks. “Kopumā, izvēloties nosēšanās vietu, mēs esam ļoti labi spējuši izmērīt un raksturot inženiertehniskos ierobežojumus — iežu pārpilnība un nogāzes, un tā tālāk — galvenokārt tāpēc, ka HiRISE attēliem ir pietiekami augsta izšķirtspēja, lai redzētu lielus akmeņus un izmērītu nogāzes. Bet mēs esam bijuši nedaudz mazāk precīzi, lai saprastu, ko es sauktu par ģeoloģisko vidi. Tas ir, kā šī teritorija radās, kādi bija galvenie ģeoloģiskie spēki, kas to veidoja. Tas ir bijis grūtāk. ”

Tā kā no orbītas iegūtajiem attēliem ir ierobežota izšķirtspēja, ir grūti saskatīt detaļas kas ir nepieciešami, lai visprecīzāk identificētu zinātniski nozīmīgus mērķus, piemēram, noteiktus nogulumus klintis. Daudz augstākas izšķirtspējas attēli, piemēram, tie, kurus varētu uzņemt ar helikopteru, būtu nenovērtējami izvēlēties nosēšanās vietas, kas bija gan drošas transportlīdzekļiem, gan maksimāli palielināja iespējas iegūt svarīgu zinātnisku atklājumiem.

Helikopteri pat varētu pārvadāt dažāda veida instrumentus, piemēram, zemes radaru, kas varētu zinātniekiem tieši pastāstīt par to, kas slēpjas zem Marsa virsmas.

Saistīts:Zemi caurejošs betona radars

Dzīvības medības no augšas

Tomēr helikopterus varētu izmantot ne tikai citu misiju atbalstam. Šāda iekārta potenciāli varētu būt aprīkota ar jebkura veida kamerām, piemēram, radaru, infrasarkano staru vai termiskās attēlveidošanas instrumentiem, kas var atklāt Marsa zemes sastāvu un mineraloģiju.

Tas ir svarīgi, jo ar šiem instrumentiem var identificēt noteiktus minerālus, piemēram, mālu, kas veidojas, ja ir ūdens. Teritorijas ar augstu šo māla minerālu blīvumu ir galvenie mērķi, lai noskaidrotu, vai tie ir kādreiz varēja būt dzīvība uz Marsa.

Zinātnieku interesantākie izpētes objekti ir eskarpumi jeb erozijas rezultātā izveidojušās stāvas klintis, jo tās atklāj laika gaitā nogulušos iežu slāņus. Skatīšanās uz šiem slāņiem ir kā atskatīšanās Marsa vēsturē. Tomēr, tā kā tie ir stāvi un akmeņaini, roveriem ir grūti izpētīt šos apgabalus, un viņiem ir jārīkojas ļoti uzmanīgi. Piemēram, roveris Opportunity pavadīja veselu gadu, rūpīgi braucot ap viena šāda stāva malu lai to attēlotu, savukārt "šādus attēlus ar helikopteru varēja iegūt pāris dienu laikā," Golombeks teica.

Uz jautājumu, vai uz Marsa ir kāda konkrēta vieta, kuru viņš personīgi vēlētos izpētīt ar helikopteriem, Golombeks smējās. "Ir simtiem - tūkstošiem!" viņš teica. "Marsa virsmas laukums ir līdzīgs atklātajam Zemes virsmas laukumam virs ūdens. Padomājiet par atšķirībām starp Lielo kanjonu un Himalajiem, starp piekrastes zonām un interjeriem. Ir tik daudz dažādu vietu, kas varētu pastāstīt interesantas lietas.

Rīki Marsa rīklodziņā

Abi eksperti bija vienisprātis, ka Marsa izpētes nākotne nav saistīta ar helikopteriem vai roveriem, bet gan par abu izmantošanu dažādiem uzdevumiem.

"Es sirdī esmu inženieris, tāpēc man tie visi ir instrumenti instrumentu kastē," sacīja Ravičs. “Atmosfēras ķermeņiem, piemēram, Marsam, ir pārliecinošs pierādījums tam, ka lidaparāts ir atbilde uz visu, ko vēlaties darīt. Ja vēlaties nokāpt lielā bedrē, piemēram, kanjonā, vai ja vēlaties uzkāpt kalnā, tā būs labākā atbilde. Taču vienmēr ir ierobežojums tam, ko varam pārvadāt — tāpēc putni ir tik viegli, bet ziloņi ne —, tāpēc jūs vienmēr varēsit paveikt vairāk zinātnes un pārvadāt vairāk ar [sauszemes] transportlīdzekli.

Vajadzība pēc vairāku veidu transportlīdzekļiem kļūst vēl skaidrāka, kad cilvēki iekļaujas attēlā, plānojot turpmākas pilotētas misijas uz Marsu. "Mums arī droši vien vajadzēs abus," sacīja Ravičs. "Ja paskatās uz cilvēkiem šodien, mēs mijiedarbojamies ar sauszemes transportlīdzekļiem un gaisa transportlīdzekļiem, un es neredzu, ka tas mainās."

Redaktoru ieteikumi

• Kosmoloģiska pārvietošanās: sarežģītā loģistika cilvēku nosūtīšanai uz Marsa
• Mākslīgā atmosfēra: kā mēs uz Marsa izveidosim bāzi ar elpojošu gaisu
• 7 minūtes šausmu: Perseverance neprātīgās Marsa nosēšanās secības sabrukums
• Marsa putekļi ir liela problēma astronautiem. Lūk, kā NASA cīnās ar to
• Kā NASA Perseverance Rover meklēs dzīvību uz Marsa