Møt Ingenuity: The High-Tech Helikopter designet for å fly på Mars

Når NASA lanserer Perseverance-roveren på sin tur til Mars denne uken, vil den ha en ledsager gjemt ved siden av seg i Atlas V-rakettens nesekjegle: Et helikopter kalt Ingenuity, som er satt til å bli det første rotorflyet noensinne som flyr på en annen planet. Dette eksperimentelle miniatyrhelikopteret kan åpne et helt nytt felt for Mars-utforskning når det kartlegger planeten fra luften.

Men hvis du synes det er tøft å designe et bakkekjøretøy for å manøvrere rundt en planet hundrevis av millioner kilometer unna, forestill deg å prøve å designe et helikopter som kan fly i en atmosfære som er så tynn at den knapt er der, i minusgrader, mens du navigerer autonomt.

Vi snakket med en ledende ingeniør og en seniorforsker på Ingenuity-prosjektet ved NASAs Jet Propulsion Lab for å finne ut hvordan de gjorde det og hvordan fremtiden til Mars-utforskningen kan se ut.

En utfordring uten sidestykke

Å bygge et helikopter som kan fly på en annen planet kommer med en rekke utfordringer, hvorav den mest presserende er hvordan man kan få noe til å holde seg i luften når atmosfæren er så tynn. Mars atmosfære er bare rundt 1 % av tettheten til atmosfæren på jorden, som tilsvarer å være i en høyde av 100 000 fot. For å demonstrere hvor vanskelig det gjør flyturen, er høyderekorden for helikopterflyging på jorden litt over 40 000 fot.

Helikoptre fungerer ved å flytte luft veldig raskt ved hjelp av roterende blader, som presser luften nedover og skaper løft. Men på Mars gir den tynne luften svært lite løft, selv når den flyttes med kniver. Selv om designerne fikk litt hjelp av det faktum at tyngdekraften er lavere på Mars, med litt over en tredjedel av tyngdekraften på Jorden, det var fortsatt det betydelige problemet med å lage et fartøy som kunne støtte seg selv med bare en tynn atmosfære til å fungere med.

"Løsningen på det problemet er lav masse," sa Josh Ravich, maskiningeniørleder for Ingenuity, til Digital Trends, "som var totalt sett den vanskeligste utfordringen for hele oppdraget, å holde massen lav.» Hele helikopteret måtte veie under 4 pund (1,8 kilo), noe som gjorde det nødvendig å bruke nøye utvalgte materialer, og hovedchassiset er veldig lite, og er en kube på 14 cm (5,5 tommer) i størrelse.

Og vektproblemet satte begrensninger på andre aspekter av håndverket også: "Vi må balansere mellom hvordan mye kraft du kan bære i form av batterier for å drive kjøretøyet, og hvor store bladene dine kan være,» Ravich sa. Batteriene er nødvendige ettersom strøm samles ved hjelp av et solcellepanel på toppen av kjøretøyet som lar det lades autonomt.

Bladene på helikopteret må være store – de har en spennvidde på i underkant av 1,2 meter – for å gi tilstrekkelig løft for kjøretøyet å fly. For å lage blader som var både store nok og lette nok, brukte teamet nye materialer inkludert kompositter som ligner på karbonfiber. Det er totalt fire blader, arrangert i to rotorer, som hver spinner med opptil 2400 rpm, mye raskere enn den omtrentlige 500 rpm-hastigheten som er typisk for helikopterblader på jorden.

Problemet med kulde

Et annet problem som trengte materialinnovasjoner var problemet med overflatetemperaturen, som kan falle så lavt som minus 100 grader Fahrenheit om natten. Når det er så kaldt, fungerer ikke elektroniske systemer pålitelig, og kjøretøyet må bruke dyrebar kraft for å holde seg varm. Så Ingenuity-teamet kom opp med en løsning med tynne lag med isolasjon rundt kjøretøyets delikate elektroniske komponenter.

"Vanligvis vil du løse dette ved å legge mye tykk isolasjon der, men isolasjonen er ganske tung," sa Ravich. "Så vi endte opp med å bruke noe av atmosfæren i seg selv, akkurat som en and eller en gås ville ha et lag med isolasjon under fjærene sine, bruker vi gassen fra Mars-atmosfæren. Hvis du bruker nok tynne termiske tepper, kan du få litt isolasjon."

Et siste kompliserende problem forårsaket av kulde er problemet med hvordan dempende materialer reagerer på lave temperaturer. "De fleste helikoptre på jorden har fysiske elastiske dempere som løfter vekt som kommer inn i midten av helikopteret," sa han. Disse demperne absorberer de betydelige vibrasjonene som forårsakes av at bladene roterer i svært høye hastigheter. "Men de fungerer ikke like bra ved Mars-temperaturer, så vi måtte gjøre mye design for å få det til å fungere som et mer stivt system."

En autonom oppdagelsesreisende

Det er ikke mulig å fly helikopteret direkte fra jorden på grunn av kommunikasjonsforsinkelsen på flere minutter mellom her og Mars. I stedet vil Ingenuity for det meste være autonom, bruke sensorene sine til å oppdage miljøet rundt seg og bevege seg deretter.

For denne oppgaven vil den bruke instrumenter ombord, inkludert et navigasjonskamera, en laserhøydemåler og en akselerometer-gyroskoppakke kalt en treghetsmålingsenhet (IMU). Ved hjelp av disse verktøyene kan fartøyet finne ut hvor det er på vei og hvor langt det er fra bakken. Den kan til og med oppdage fare for å unngå potensielle hindringer i veien.

Det betyr at teknikerne på bakken gir fartøyet en flyveplan, og så kan Ingenuity utføre den, som Ravich forklarte: «Måten helikopteret flys på er at vi legg inn en flyplan, egentlig en flybane, og si «snurr bladene så lenge, fly hit, snu, fly hit»... og så gjør Ingenuity den sekvensen ved å seg selv."

Helikopteret må holde seg innenfor kommunikasjonsrekkevidde med roveren, som er omtrent en kilometer, og ideelt sett bør det ha en direkte siktlinje. Men utover det kan Ingenuity operere uavhengig og kan lade, ta av og lande uten støtte fra roveren. Planen er at helikopteret skal takle én utfordring om gangen, for å se hvor dyktig det er til å manøvrere rundt planeten.

"Vi vil fly en rekke stadig mer komplekse oppdrag," sa Ravich. «Nominelt er oppdraget én til tre flyreiser, men det kan være så mange som fem flyreiser avhengig av hvordan ting går... Hver flytur kommer til å bli litt mer kompleks. Den første, vi reiser oss, svever rundt, lander. Den andre kan være å reise seg, snu, kanskje bevege seg litt, for så å komme tilbake og lande. Mot slutten, hvis ting går bra, kan de bestemme seg for å reise seg, fly den veien og finne et nytt landingssted og beholde det som neste operasjonsbase.»

Beviser konseptet

Oppfinnsomhet er ikke ment som et vitenskapelig oppdrag, så det vil ikke samle inn vitenskapelige data - selv om eksperter håper at de vil være i stand til å bruke noen av dataene den samler inn. Målet med oppdraget er å demonstrere at det er teknologisk mulig å fly et rotorfly på en annen planet og å samle tekniske data for å hjelpe til med å designe fremtidige Mars-helikoptre.

Det betyr at det er en viss grad av fleksibilitet i hvordan fartøyet kan bevege seg, da det ikke er behov for det å manøvrere til et nøyaktig sted på overflaten. Fartøyet vil sannsynligvis holde seg innen noen få hundre meter fra Perseverance-roveren, så det kan posisjonere seg i forhold til det. "Til en viss grad tror jeg ikke det spiller så stor rolle hvor nøyaktige vi er når vi flyr - helikopteret vil vite nøyaktig hvor det tror det er," sa Ravich. "Fra et høyere nivå spiller det ingen rolle om det er 10 fot på denne måten eller 10 fot på denne måten når det lander - så lenge det lander trygt."

Hjelp fra luften

Hvis Ingenuity-konseptet fungerer i praksis som forventet, kan helikoptre gi uvurderlig innsats assistanse til fremtidige roveroppdrag, ta bilder av overflaten og gjøre utforskning raskere og mer korrekt.

Matt Golombek, en veteran fra Mars vitenskapsoppdrag som spesialiserer seg på å velge landingssteder på Mars og som var hovedetterforskeren for det første forslaget til Mars-helikopteret, forklarte Digital Trends hvordan helikoptre kan være fordelaktige for fremtidig utforskning operasjoner.

Fylle ut oppløsningsgapet

En av de mest verdifulle oppgavene fremtidige helikopteroppdrag kan utføre ville være å ta høyoppløselige bilder for å fylle ut det som er kjent som "oppløsningsgapet" til Mars-overflatebilder. Dette refererer til «forskjellen mellom de høyeste oppløsningsbildene vi har fra bane, som er omtrent 25 centimeter (ca. 10 tommer) per piksel og kalles HiRISE-bilder, kontra det du kan se på bakken i tidligere rover-oppdrag, der oppløsningen vår er noe nærmere 3 centimeter per piksel,” sa Golombek. "Det er omtrent en størrelsesorden."

Selv om høyoppløsningsbildene av planetens overflate tatt med HiRISE-instrumentet er utrolig detaljerte med tanke på at de er tatt fra bane, er ikke detaljerte nok til å vise strukturelle trekk ved landet som utspring, eller til å identifisere områder av vitenskapelig interesse som spesielle steiner for rovere til besøk. Så rovere må utforske området der de lander for å finne steiner eller andre funksjoner som er vitenskapelig interessante å undersøke.

Et helikopter kan brukes som speider for rover-oppdrag, og tar bilder som er mer detaljerte enn de som er mulig fra bane. Disse bildene kan brukes til å identifisere områder av spesiell vitenskapelig interesse, slik at teamet kan sende roveren rett til de mest verdifulle målene for forskning.

Utvide roveres dekningsområde

En ting du kanskje ikke er klar over med Mars rover-oppdrag er hvor lite område hver rover dekker, siden de har begrenset kraft å operere på, og hver bevegelse de gjør må planlegges nøye. Utholdenhet, for eksempel, vil dekke mellom 3 og 12 miles (5 og 20 kilometer) over hovedoppdraget. Og planetens lengste rover, Opportunity, dekket utrolige 28 miles (45 kilometer) i løpet av sin 14-årige levetid. Så imponerende som dette er for en rover som utforsker en fjern planet, representerer disse avstandene bare en brøkdel av det totale overflatearealet til Mars.

En rover kan for eksempel ta uker å reise en kilometer. Mens Ingenuity kunne reise opptil én kilometer på bare 90 sekunder, selv om teamet ikke planlegger å kjøre helikopteret i så høye hastigheter på sitt første oppdrag. Men fremtidige helikoptre kan utforske et mye større område av planeten, og bilder de tok ville være uvurderlige for å sette roverfunn inn i en bredere sammenheng. Slike bilder ville hjelpe forskere til å forstå planetens globale geologi og fortelle dem om områdene som roveren studerte, er representative for det større miljøet på mars.

Helikopteret kan også bidra til å utvide etterforskningsområdet ved å redusere tiden det tar for rovere å navigere rundt overflaten betydelig. For øyeblikket bestemmes roverkjøreruter ved hjelp av de høyest tilgjengelige bildene, men disse bildene viser ikke alltid hindringer eller farer, slik at sjåførene må navigere sakte og forsiktig.

"Vanligvis er rovernes maksimale kjøring på en dag 60 til 100 meter," sa Golombek. "Men hvis du hadde denne høyoppløselige informasjonen, ville det fortelle deg spesifikt hvor du er trygg stier var, kan du doble eller tredoble så lett, og dermed komme deg mye raskere til målet.»

Finne et landingssted

Før en rover kan utforske, må den imidlertid lande. Og prosessen med å velge et landingssted kan også dra nytte av luftstøtte.

"Valg av landingssted er en kombinasjon av å karakterisere hvor sikker overflaten er å lande med romfartøyet du har designet og bygget - landere liker ikke å ha store steiner under seg som kan spidde dem eller velte dem, bratte bakker er generelt ikke bra, og områder som er veldig luftige som du kan synke ned i, er dårlige valg – så det er en hel rekke med det vi kaller tekniske begrensninger.» sa Golombek.

Disse tekniske begrensningene kompliseres også av Mars tynne atmosfære, da dette gjør det vanskeligere for kjøretøyer å bremse seg selv ved hjelp av fallskjermer når de kommer inn for landing. Så teamet må vurdere høyden til et landingssted også, for å sikre at kjøretøyet kan lande der trygt.

"Og så har du vitenskapelige mål, som er basert på nyttelasten du bærer og vitenskapelige mål for oppdraget - tingene du ønsker å lære og finne ut om Mars," sa han på. "Og du må veie alle disse sammen for å finne et sted [å lande] som er både trygt og også vitenskapelig interessant for det spesielle oppdraget."

Personene som velger landingssteder, som Golombek, er i stor grad avhengige av bilder tatt fra bane for å finne ut hvilke steder som oppfyller disse kriteriene. Og de minste avvikene fra det som forventes kan forårsake problemer, som de som oppleves av InSight-landeren som landet på Mars i 2018. InSight-teamet klarte å finne en plassering som var passende flat og fri for steiner, og deres spådommer om materialene som utgjør overflaten var helt nøyaktige. Jorden under overflaten der landeren sitter viste seg imidlertid å være litt annerledes enn forventet, etter å ha blitt komprimert til et tøffere materiale kalt duracrust. Og dette har forårsaket mange problemer i forsøket begrave landerens varmesonde under overflaten.

"Det er alltid tvetydighet i orbitaldataene du bruker for å utlede hva som egentlig er nede på overflaten," sa Golombek. "Generelt, for valg av landingssted har vi vært veldig flinke til å måle og karakterisere de tekniske begrensningene - bergarten overflod og bakkene, og så videre - mest fordi HiRISE-bildene har høy nok oppløsning til å se store steiner og måle bakker. Men vi har vært litt mindre nøyaktige til å forstå det jeg vil kalle den geologiske settingen. Det vil si hvordan dette området ble til, hva var de viktigste geologiske kreftene som formet det. Det har vært tøffere."

Siden bildene hentet fra bane har en begrenset oppløsning, er det vanskelig å se hva slags detaljer som er nødvendig for mest mulig nøyaktig å identifisere mål av vitenskapelig interesse, for eksempel spesielle sedimentære steiner. Å ha mye høyere oppløsningsbilder som de som kan fanges med et helikopter ville være uvurderlig velge landingsplasser som både var trygge for kjøretøyene og maksimerte sjansene for å gjøre viktig vitenskapelig funn.

Helikoptre kan til og med bære forskjellige typer instrumenter som jordgjennomtrengende radar som kan fortelle forskere direkte om hva som lurer under Mars-overflaten.

I slekt:Grunnpenetrerende radar for betong

Jakt på livet ovenfra

Helikoptre kan imidlertid brukes til mer enn bare støtte til andre oppdrag. En slik maskin kan potensielt utstyres med en hvilken som helst type kamera, for eksempel radar, infrarøde eller termiske bildeinstrumenter som kan avsløre sammensetningen og mineralogien til marsjorden.

Dette er viktig siden disse verktøyene kan identifisere visse mineraler, for eksempel leire, som dannes når vann er tilstede. Områder med høy tetthet av disse leirmineralene er sentrale mål for forskning på om det finnes kan en gang ha vært liv på Mars.

Noen av de mest interessante målene for forskere å forske på er skråninger, eller bratte klipper dannet av erosjon, fordi disse avslører steinlagene som ble lagt ned over tid. Å se på disse lagene er som å se tilbake i Mars historie. Men fordi de er bratte og steinete, er disse områdene vanskelige for rovere å utforske, og de må gå veldig forsiktig fram. Roveren Opportunity brukte for eksempel et helt år på å kjøre forsiktig rundt kanten av en slik skråning å avbilde det, mens "slike bilder kunne ha blitt ervervet i løpet av et par dager av et helikopter," Golombek sa.

På spørsmål om det var et spesielt sted på Mars han personlig ville utforske med helikoptre, lo Golombek. "Det er hundrevis - tusenvis!" han sa. "Overflatearealet til Mars ligner det eksponerte overflatearealet over vann på jorden. Tenk på forskjellene mellom Grand Canyon og Himalaya, mellom kystsonene og interiøret. Det er så mange forskjellige steder som kan fortelle deg interessante ting.»

Verktøy i Mars-verktøykassen

Begge ekspertene var enige om at fremtiden til Mars-utforskning ikke var et spørsmål om verken helikoptre eller rovere, men snarere om å bruke begge etter behov for forskjellige oppgaver.

"Jeg er en ingeniør i hjertet, så for meg er de alle verktøy i verktøykassen," sa Ravich. "For atmosfæriske kropper som Mars, vil det være en sterk sak om at et luftfartøy er svaret for hva du enn vil gjøre. Hvis du vil gå ned i et stort hull som en canyon, eller hvis du vil bestige et fjell, vil det være det beste svaret. Men det er alltid en grense for hva vi kan bære - det er derfor fugler er så lette og elefanter ikke er det - så du vil alltid være i stand til å gjøre mer vitenskap og bære mer med et [bakke] kjøretøy."

Behovet for flere typer kjøretøy blir enda tydeligere når mennesker kommer inn i bildet, når de planlegger for fremtidige bemannede oppdrag til Mars. "Vi vil sannsynligvis trenge begge deler også," sa Ravich. "Hvis du ser på folk i dag, samhandler vi med bakkekjøretøyer og luftkjøretøyer, og jeg ser ikke at det endrer seg."

Redaktørenes anbefalinger

• En kosmologisk pendling: Den vanskelige logistikken ved å sette mennesker på Mars
• Kunstige atmosfærer: Hvordan vi bygger en base med pustende luft på Mars
• 7 minutter med terror: Et sammenbrudd av Perseverances vanvittige Mars-landingssekvens
• Støv fra mars er et stort problem for astronauter. Her er hvordan NASA bekjemper det
• Hvordan NASAs Perseverance Rover vil søke etter liv på Mars