Maak kennis met Ingenuity: de hightech helikopter ontworpen om op Mars te vliegen

Wanneer NASA deze week de Perseverance-rover op zijn reis naar Mars lanceert, zal er een metgezel naast zich in de ruimte zitten. De neuskegel van de Atlas V-raket: een helikopter genaamd Ingenuity, die het eerste helikoptervliegtuig zal worden dat ooit op een ander helikopter vliegt planeet. Deze experimentele miniatuurhelikopter zou een geheel nieuw veld van Mars-verkenning kunnen openen terwijl hij de planeet vanuit de lucht in kaart brengt.

Maar als je denkt dat het moeilijk is om een ​​grondvoertuig te ontwerpen dat rond een planeet honderden miljoenen kilometers verderop kan manoeuvreren, stel je dan eens voor dat je het zou proberen. om een ​​helikopter te ontwerpen die tijdens het navigeren in een atmosfeer kan vliegen die zo dun is dat hij er nauwelijks is, bij temperaturen onder het vriespunt autonoom.

We spraken met een hoofdingenieur en een senior wetenschapper van het Ingenuity-project bij het Jet Propulsion Lab van NASA om erachter te komen hoe ze dat deden en hoe de toekomst van de verkenning van Mars eruit zou kunnen zien.

Een ongekende uitdaging

Het bouwen van een helikopter die op een andere planeet kan vliegen, brengt talloze uitdagingen met zich mee, waarvan de meest dringende is hoe je iets in de lucht kunt laten blijven als de atmosfeer zo dun is. De atmosfeer van Mars heeft slechts ongeveer 1% van de dichtheid van de atmosfeer op aarde, wat overeenkomt met een hoogte van 30.000 meter. Om aan te tonen hoe moeilijk dat het vliegen maakt: het hoogterecord voor helikoptervluchten op aarde bedraagt ​​iets meer dan 12.000 meter.

Helikopters werken door lucht zeer snel te verplaatsen met behulp van roterende bladen, die de lucht naar beneden duwen en lift creëren. Maar op Mars biedt de ijle lucht heel weinig lift, zelfs als deze met messen wordt verplaatst. Al kregen de ontwerpers enige hulp van het feit dat de zwaartekracht op Mars lager is, namelijk iets meer dan een derde van de zwaartekracht Op aarde was er nog steeds het grote probleem om een ​​vaartuig te maken dat zichzelf kon ondersteunen met slechts een dunne atmosfeer om te werken met.

“De oplossing voor dat probleem is een lage massa”, vertelde Josh Ravich, hoofd werktuigbouwkunde bij Ingenuity, aan Digital Trends, “wat de Over het algemeen de moeilijkste uitdaging van de hele missie, om de massa laag te houden.” De hele helikopter moest minder dan 4 pond wegen (1,8 kg). kilogram) waarvoor zorgvuldig geselecteerde materialen nodig waren, en het hoofdchassis is erg klein, namelijk een kubus van 14 cm (5,5 inch) qua maat.

En het gewichtsprobleem legde ook beperkingen op aan andere aspecten van het vaartuig: “We moeten een evenwicht vinden tussen hoe hoeveel kracht je kunt vervoeren in de vorm van batterijen om het voertuig te laten draaien, en hoe groot je messen kunnen zijn”, zegt Ravich gezegd. De batterijen zijn nodig omdat de stroom wordt verzameld met behulp van een zonnepaneel bovenop het voertuig, waardoor het voertuig autonoom kan opladen.

De bladen van de helikopter moeten groot zijn (ze hebben een spanwijdte van iets minder dan 1,2 meter) om voldoende lift te bieden zodat het voertuig kan vliegen. Om bladen te maken die zowel groot als licht genoeg waren, gebruikte het team nieuwe materialen, waaronder composieten die lijken op koolstofvezel. Er zijn in totaal vier bladen, gerangschikt in twee rotoren, die elk met een snelheid van maximaal 2.400 tpm draaien, veel sneller dan de snelheid van ongeveer 500 tpm die typisch is voor helikopterbladen op aarde.

Het probleem van de kou

Een ander probleem waarvoor materiële innovaties nodig waren, was het probleem van de oppervlaktetemperatuur, die 's nachts tot wel min 100 graden Fahrenheit kan dalen. Als het zo koud is, werken elektronische systemen niet betrouwbaar en heeft het voertuig kostbare energie nodig om warm te blijven. Daarom bedacht het Ingenuity-team een ​​oplossing met dunne isolatielagen rond de delicate elektronische componenten van het voertuig.

“Normaal gesproken zou je dit oplossen door er veel dikke isolatie in te doen, maar de isolatie is behoorlijk zwaar”, zegt Ravich. “Dus uiteindelijk gebruikten we een deel van de atmosfeer zelf, net zoals een eend of een gans een isolatielaag onder hun veren hebben, gebruiken we het gas uit de atmosfeer van Mars. Als je voldoende dunne thermische dekens gebruikt, kun je een beetje isolatie krijgen.”

Een laatste complicerend probleem dat door de kou wordt veroorzaakt, is het probleem van de manier waarop dempende materialen reageren op lage temperaturen. “De meeste helikopters op aarde hebben fysiek elastische dempers die het gewicht optillen dat in het midden van de helikopter terechtkomt”, zei hij. Deze dempers absorberen de aanzienlijke trillingen die worden veroorzaakt doordat de bladen met zeer hoge snelheden draaien. "Maar die werken niet zo goed bij Mars-temperaturen, dus we moesten veel ontwerpen om dat als een stijver systeem te laten werken."

Een autonome ontdekkingsreiziger

Het is niet mogelijk om de helikopter rechtstreeks vanaf de aarde te laten vliegen vanwege de communicatievertraging van enkele minuten tussen hier en Mars. In plaats daarvan zal Ingenuity grotendeels autonoom zijn en zijn sensoren gebruiken om de omgeving eromheen te detecteren en dienovereenkomstig te bewegen.

Voor deze taak zal het boordinstrumenten gebruiken, waaronder een navigatiecamera, een laserhoogtemeter en een accelerometer-gyroscooppakket, een inertiële meeteenheid (IMU) genoemd. Met behulp van deze gereedschappen kan het vaartuig bepalen waar het naartoe gaat en hoe ver het zich van de grond bevindt. Het kan zelfs gevaren detecteren om potentiële obstakels op zijn pad te vermijden.

Dat betekent dat de technici op de grond het toestel een vluchtplan geven, waarna Ingenuity het kan uitvoeren, zoals Ravich uitlegde: “De manier waarop de helikopter wordt gevlogen is dat we voer een vluchtplan in, eigenlijk een vliegroute, en zeg: 'draai de bladen zo lang, vlieg hierheen, draai je om, vlieg hierheen'... en dan doet Ingenuity die reeks door zelf."

De helikopter moet binnen het communicatiebereik met de rover blijven, dat ongeveer een kilometer bedraagt, en idealiter een directe zichtlijn hebben. Maar daarnaast kan Ingenuity onafhankelijk opereren en opladen, opstijgen en landen zonder enige steun van de rover. Het plan is dat de helikopter één uitdaging tegelijk aanpakt, om te zien hoe goed hij over de hele planeet kan manoeuvreren.

“We zullen een reeks steeds complexere missies uitvoeren”, zei Ravich. “Nominaal bestaat de missie uit één tot drie vluchten, maar het kunnen zelfs vijf vluchten zijn, afhankelijk van hoe de zaken verlopen… Elke vlucht wordt iets complexer. Bij de eerste zullen we opstaan, rondhangen en landen. De tweede kan zijn dat je opstaat, je omdraait, misschien een beetje beweegt, dan terugkomt en landt. Tegen het einde, als alles goed gaat, kunnen ze besluiten om op te staan, die kant op te vliegen en een nieuwe landingsplaats te vinden en die als volgende uitvalsbasis te behouden.

Het concept bewijzen

Ingenuity is niet bedoeld als een wetenschappelijke missie, dus het zal geen wetenschappelijke gegevens verzamelen – hoewel experts hopen dat ze gebruik zullen kunnen maken van een deel van de gegevens die het wel verzamelt. Het doel van de missie is om aan te tonen dat het technologisch haalbaar is om met een helikopter op een andere planeet te vliegen en om technische gegevens te verzamelen om toekomstige Mars-helikopters te helpen ontwerpen.

Dat betekent dat er een zekere mate van flexibiliteit is in de manier waarop het vaartuig kan bewegen, omdat het niet nodig is om naar een exacte locatie aan de oppervlakte te manoeuvreren. Het ruimtevaartuig zal waarschijnlijk binnen een paar honderd meter van de Perseverance-rover blijven, zodat het zichzelf ten opzichte daarvan kan positioneren. “Tot op zekere hoogte denk ik niet dat het er zoveel toe doet hoe nauwkeurig we zijn terwijl we vliegen – de helikopter weet precies waar hij denkt dat hij is,” zei Ravich. “Vanaf een hoger niveau maakt het niet zo veel uit of het 3 meter deze kant op is of 3 meter die kant op als het landt – zolang het maar veilig landt.”

Hulp vanuit de lucht

Als het Ingenuity-concept in de praktijk werkt zoals verwacht, kunnen helikopters van onschatbare waarde zijn assistentie bij toekomstige rovermissies, waarbij beelden van het oppervlak worden gemaakt en verkenningen sneller en beter worden nauwkeurig.

Matt Golombek, een veteraan van wetenschappelijke missies naar Mars die gespecialiseerd is in het kiezen van landingsplaatsen op Mars en die de hoofdonderzoeker was voor het eerste voorstel voor de Mars-helikopter, legde aan Digital Trends uit hoe helikopters nuttig kunnen zijn voor toekomstige verkenningen activiteiten.

Het opvullen van het resolutiegat

Een van de meest waardevolle taken die toekomstige helikoptermissies zouden kunnen uitvoeren, is het maken van foto's met een hoge resolutie om de zogenaamde 'resolutiekloof' van oppervlaktebeelden van Mars op te vullen. Dit verwijst naar “het verschil tussen de beelden met de hoogste resolutie die we vanuit een baan om de aarde hebben, die ongeveer 25 centimeter (ongeveer 10 inch) per pixel zijn en die worden genoemd HiRISE-afbeeldingen, vergeleken met wat je op de grond kunt zien tijdens eerdere rover-missies, waarbij onze resolutie iets dichter bij de 3 centimeter per pixel ligt”, aldus Golombek. “Dat is ongeveer een orde van grootte.”

Hoewel de high-definition beelden van het planeetoppervlak, gemaakt met behulp van het HiRISE-instrument, ongelooflijk gedetailleerd zijn als je bedenkt dat ze vanuit een baan om de aarde zijn vastgelegd, zijn ze zijn niet gedetailleerd genoeg om structurele kenmerken van het land zoals ontsluitingen weer te geven, of om gebieden van wetenschappelijk belang te identificeren, zoals bepaalde rotsen waar rovers naar toe kunnen gaan bezoek. Rovers moeten dus het gebied waarin ze landen verkennen om rotsen of andere kenmerken te vinden die wetenschappelijk interessant zijn om te onderzoeken.

Een helikopter zou kunnen worden gebruikt als verkenning voor rovermissies, waarbij beelden worden gemaakt die gedetailleerder zijn dan mogelijk vanuit een baan om de aarde. Deze beelden kunnen worden gebruikt bij het identificeren van gebieden van bijzonder wetenschappelijk belang, zodat het team de rover rechtstreeks naar de meest waardevolle doelen voor onderzoek kan sturen.

Het dekkingsgebied van rovers uitbreiden

Eén ding dat je je misschien niet realiseert over missies met Mars-rovers is hoe klein het gebied is dat elke rover bestrijkt, omdat ze een beperkte kracht hebben om te opereren, en elke beweging die ze maken zorgvuldig moet worden gepland. Perseverance zal tijdens zijn hoofdmissie bijvoorbeeld tussen de 3 en 12 mijl (5 tot 20 kilometer) afleggen. En de verste verre rover van de planeet, Opportunity, heeft tijdens zijn 14-jarige levensduur een ongelooflijke afstand van 45 kilometer afgelegd. Hoe indrukwekkend dit ook is voor een rover die een verre planeet verkent, deze afstanden vertegenwoordigen slechts een fractie van de totale oppervlakte van Mars.

Het kan bijvoorbeeld weken duren voordat een rover een kilometer aflegt. Terwijl Ingenuity in slechts 90 seconden een kilometer zou kunnen afleggen, hoewel het team niet van plan is de helikopter tijdens zijn eerste missie met zulke hoge snelheden te laten vliegen. Maar toekomstige helikopters zouden een veel groter deel van de planeet kunnen verkennen, en de beelden die ze maakten zouden van onschatbare waarde zijn om de bevindingen van de rover in een bredere context te plaatsen. Dergelijke beelden zouden wetenschappers helpen de mondiale geologie van de planeet te begrijpen en hen vertellen of de door de rover bestudeerde gebieden representatief zijn voor de grotere marsomgeving.

De helikopter zou ook kunnen helpen het onderzoeksgebied uit te breiden door de tijd die rovers nodig hebben om over het oppervlak te navigeren aanzienlijk te verkorten. Momenteel worden rover-rijroutes bepaald met behulp van afbeeldingen met de hoogste resolutie die beschikbaar zijn deze beelden tonen niet altijd obstakels of gevaren waardoor bestuurders langzaam moeten navigeren voorzichtig.

“Normaal gesproken is het maximale aantal rovers dat op een dag rijdt 60 tot 100 meter,” zei Golombek. “Maar als je deze hoge-resolutie-informatie had, zou die je specifiek vertellen waar de veilige rit naartoe gaat paden waren, zou je dat gemakkelijk kunnen verdubbelen of verdrievoudigen, en zo veel sneller op je bestemming komen.

Een landingsplek zoeken

Maar voordat een rover kan verkennen, moet hij landen. En het proces van het selecteren van een landingsplaats zou ook kunnen profiteren van luchtsteun.

“De selectie van een landingsplaats is een combinatie van het karakteriseren van hoe veilig het oppervlak is om te landen met het ruimtevaartuig dat je hebt ontworpen en gebouwd – landers houden er niet van om grote rotsen onder zich te hebben die ze zouden kunnen spietsen of omvallen; steile hellingen zijn over het algemeen geen goede zaak, en gebieden die erg donzig zijn en waar je in wegzakt, zijn slechte keuzes – dus er is een hele reeks van wat we technische beperkingen noemen,” zei Golombek.

Deze technische beperkingen worden ook bemoeilijkt door de dunne atmosfeer van Mars, omdat dit het voor voertuigen moeilijker maakt om zichzelf te vertragen met behulp van parachutes wanneer ze binnenkomen om te landen. Het team moet dus ook rekening houden met de hoogte van een landingsplaats, om ervoor te zorgen dat het voertuig daar veilig kan landen.

“En dan heb je wetenschappelijke doelstellingen, die gebaseerd zijn op de lading die je vervoert en de wetenschappelijke doelstellingen van de missie – de dingen die je wilt leren en ontdekken over Mars, ‘ging hij op. “En je moet deze allemaal samen afwegen om een ​​plek te bedenken die zowel veilig als wetenschappelijk interessant is voor die specifieke missie.”

De mensen die landingsplaatsen selecteren, zoals Golombek, vertrouwen grotendeels op beelden die vanuit de ruimte zijn genomen om uit te zoeken welke locaties aan deze criteria zullen voldoen. En de kleinste afwijkingen van wat wordt verwacht, kunnen problemen veroorzaken, zoals die worden ervaren door de InSight-lander die in 2018 op Mars landde. Het InSight-team slaagde erin een locatie te vinden die voldoende vlak en vrij van stenen was, en hun voorspellingen over de materialen waaruit het oppervlak bestaat, waren volkomen accuraat. De grond onder het oppervlak van de lander bleek echter iets anders te zijn dan verwacht, omdat deze was samengeperst tot een harder materiaal dat duracrust wordt genoemd. En dit heeft veel problemen veroorzaakt bij het proberen begraaf de hittesonde van de lander onder het oppervlak.

"Er zit altijd dubbelzinnigheid in de orbitale gegevens die je gebruikt om af te leiden wat zich werkelijk aan de oppervlakte bevindt", zei Golombek. “Over het algemeen zijn we bij de selectie van landingsplaatsen erg goed geweest in het meten en karakteriseren van de technische beperkingen – de rots overvloed en de hellingen, enzovoort – vooral omdat de HiRISE-beelden een resolutie hebben die hoog genoeg is om grote rotsen te zien en te meten hellingen. Maar we zijn iets minder nauwkeurig geweest in het begrijpen van wat ik de geologische omgeving zou noemen. Dat wil zeggen: hoe dat gebied ontstond, wat de belangrijkste geologische krachten waren die het vormden. Dat is moeilijker geweest.”

Omdat de beelden die vanuit de ruimte worden verkregen een beperkte resolutie hebben, is het moeilijk om de soorten details te zien die nodig zijn om doelwitten van wetenschappelijk belang, zoals bepaalde sedimentaire stoffen, zo nauwkeurig mogelijk te identificeren rotsen. Het hebben van beelden met een veel hogere resolutie, zoals die welke door een helikopter kunnen worden vastgelegd, zou van onschatbare waarde zijn het kiezen van landingsplaatsen die zowel veilig waren voor de voertuigen als de kansen op belangrijk wetenschappelijk onderzoek maximaliseerden bevindingen.

Helikopters zouden zelfs verschillende soorten instrumenten aan boord kunnen hebben, zoals een gronddoordringende radar, die wetenschappers direct zou kunnen vertellen wat zich onder het oppervlak van Mars schuilhoudt.

Verwant:Gronddoordringende radar voor beton

Op jacht naar leven van bovenaf

Helikopters kunnen echter voor meer dan alleen ondersteuning van andere missies worden ingezet. Zo'n machine zou mogelijk kunnen worden uitgerust met elk type camera, zoals radar-, infrarood- of thermische beeldvormingsinstrumenten die de samenstelling en mineralogie van de grond van Mars kunnen onthullen.

Dit is belangrijk omdat deze hulpmiddelen bepaalde mineralen kunnen identificeren, zoals klei, die ontstaan ​​als er water aanwezig is. Gebieden met hoge dichtheden van deze kleimineralen zijn belangrijke doelwitten voor onderzoek naar de vraag of deze aanwezig zijn Mogelijk was er ooit leven op Mars.

Enkele van de meest interessante doelen voor wetenschappers om te onderzoeken zijn steile hellingen, of steile kliffen gevormd door erosie, omdat deze de rotslagen onthullen die in de loop van de tijd zijn afgezet. Als je naar deze lagen kijkt, is het alsof je terugkijkt in de geschiedenis van Mars. Omdat ze steil en rotsachtig zijn, zijn deze gebieden echter moeilijk te verkennen voor rovers en moeten ze heel voorzichtig te werk gaan. De rover Opportunity heeft bijvoorbeeld een heel jaar lang voorzichtig rond de rand van zo’n steile helling gereden om het in beeld te brengen, terwijl “dat soort beelden binnen een paar dagen door een helikopter hadden kunnen worden verkregen”, Golombek gezegd.

Toen hem werd gevraagd of er een bepaalde locatie op Mars was die hij persoonlijk graag met helikopters zou willen verkennen, lachte Golombek. “Er zijn honderden – duizenden!” hij zei. “Het oppervlak van Mars is vergelijkbaar met het blootgestelde oppervlak boven water van de aarde. Denk eens aan de verschillen tussen de Grand Canyon en de Himalaya, tussen de kustgebieden en het binnenland. Er zijn zoveel verschillende plaatsen die je interessante dingen kunnen vertellen.”

Gereedschap in de gereedschapskist van Mars

Beide experts waren het erover eens dat de toekomst van de verkenning van Mars niet een kwestie was van helikopters of rovers, maar eerder van het gebruik van beide zoals vereist voor verschillende taken.

“Ik ben een ingenieur in hart en nieren, dus voor mij zijn het allemaal gereedschappen in de gereedschapskist”, zei Ravich. “Voor atmosferische lichamen zoals Mars zullen er sterke argumenten zijn dat een luchtvaartuig het antwoord is op wat je ook maar wilt doen. Als je in een groot gat zoals een kloof wilt afdalen, of als je een berg wilt beklimmen, is dat het beste antwoord. Maar er is altijd een limiet aan wat we kunnen vervoeren – daarom zijn vogels zo licht en olifanten niet – dus je zult altijd meer wetenschap kunnen doen en meer kunnen vervoeren met een grondvoertuig.

De behoefte aan meerdere soorten voertuigen wordt nog duidelijker wanneer mensen in beeld komen bij het plannen van toekomstige bemande missies naar Mars. ‘We zullen ze waarschijnlijk ook allebei nodig hebben,’ zei Ravich. “Als je tegenwoordig naar mensen kijkt, hebben we interactie met grondvoertuigen en luchtvoertuigen, en ik zie dat niet veranderen.”

Aanbevelingen van de redactie

• Een kosmologisch woon-werkverkeer: de lastige logistiek van het plaatsen van mensen op Mars
• Kunstmatige atmosferen: hoe we een basis met ademende lucht op Mars zullen bouwen
• 7 minuten terreur: een overzicht van de krankzinnige Mars-landingsreeks van Perseverance
• Marsstof is een groot probleem voor astronauten. Hier is hoe NASA het bestrijdt
• Hoe NASA's Perseverance Rover naar leven op Mars zal zoeken