Poznaj Ingenuity: zaawansowany technologicznie helikopter zaprojektowany do latania na Marsie

Kiedy w tym tygodniu NASA wystrzeli łazik Perseverance w swoją podróż na Marsa, obok niego w Stożek dziobowy rakiety Atlas V: Helikopter o nazwie Ingenuity, który ma stać się pierwszym wiropłatem, który kiedykolwiek poleci na innym planeta. Ten eksperymentalny miniaturowy helikopter może otworzyć zupełnie nowe pole eksploracji Marsa podczas obserwacji planety z powietrza.

Ale jeśli uważasz, że trudno jest zaprojektować pojazd naziemny do manewrowania wokół planety oddalonej o setki milionów mil, wyobraź sobie, że spróbujesz zaprojektować helikopter, który podczas nawigacji będzie mógł latać w atmosferze tak rzadkiej, że ledwo ją tam widać, przy ujemnych temperaturach autonomicznie.

Rozmawialiśmy z głównym inżynierem i starszym naukowcem zajmującym się projektem Ingenuity w Jet Propulsion Lab NASA, aby dowiedzieć się, jak tego dokonali i jak może wyglądać przyszłość eksploracji Marsa.

Bezprecedensowe wyzwanie

Budowa helikoptera, który może latać na innej planecie, wiąże się z wieloma wyzwaniami, z których najważniejszym jest utrzymanie czegoś w powietrzu, gdy atmosfera jest tak rzadka. Atmosfera Marsa stanowi zaledwie około 1% gęstości atmosfery na Ziemi, co odpowiada wysokości 30 000 stóp. Aby zademonstrować, jak trudny jest to lot, rekord wysokości lotu helikopterem na Ziemi wynosi nieco ponad 40 000 stóp.

Helikoptery działają poprzez bardzo szybkie przemieszczanie powietrza za pomocą obracających się łopatek, które wypychają powietrze w dół i tworzą siłę nośną. Ale na Marsie rozrzedzone powietrze zapewnia bardzo małą siłę nośną, nawet gdy jest poruszane za pomocą ostrzy. Chociaż projektanci otrzymali pewną pomoc z faktu, że grawitacja na Marsie jest niższa i wynosi nieco ponad jedną trzecią siły grawitacji na Marsie Ziemi, nadal istniał poważny problem stworzenia statku, który mógłby utrzymać się jedynie w cienkiej atmosferze z.

„Rozwiązaniem tego problemu jest niska masa” – powiedział Digital Trends Josh Ravich, kierownik ds. inżynierii mechanicznej w Ingenuity, „co było ogólnie najtrudniejsze wyzwanie w całej misji, utrzymanie niskiej masy.” Cały helikopter musiał ważyć poniżej 4 funtów (1,8 kilogramów), co wymagało zastosowania starannie dobranych materiałów, a główne podwozie jest bardzo małe – ma kształt sześcianu o boku 14 cm (5,5 cala). W rozmiarze.

Kwestia wagi nakłada ograniczenia także na inne aspekty rzemiosła: „Musimy znaleźć równowagę między tym, jak to zrobić jaką moc możesz unieść w postaci akumulatorów napędzających pojazd i jak duże mogą być twoje ostrza” – Ravich powiedział. Baterie są potrzebne, ponieważ energia jest gromadzona za pomocą panelu słonecznego umieszczonego na górze pojazdu, co umożliwia autonomiczne ładowanie.

Łopaty helikoptera muszą być duże — mają rozpiętość nieco poniżej 4 stóp (1,2 metra) — aby zapewnić wystarczającą siłę nośną, aby pojazd mógł latać. Aby stworzyć ostrza, które byłyby wystarczająco duże i wystarczająco lekkie, zespół zastosował nowe materiały, w tym kompozyty podobne do włókna węglowego. W sumie są cztery łopaty, ułożone w dwa wirniki, z których każdy wiruje z prędkością do 2400 obr./min, czyli znacznie szybciej niż około 500 obr./min, typowa dla łopat helikopterów na Ziemi.

Problem zimna

Kolejną kwestią wymagającą innowacji materiałowych był problem temperatury powierzchni, która w nocy może spaść nawet do minus 30 stopni Fahrenheita. Kiedy jest tak zimno, systemy elektroniczne nie działają niezawodnie, a pojazd musi zużywać cenną energię, aby się ogrzać. Dlatego zespół Ingenuity wymyślił rozwiązanie, wykorzystując cienkie warstwy izolacji wokół delikatnych elementów elektronicznych pojazdu.

„Normalnie rozwiązano by ten problem, umieszczając tam dużo grubej izolacji, jednak izolacja jest dość ciężka” – powiedział Ravich. „Więc ostatecznie wykorzystaliśmy część samej atmosfery, tak jak kaczka czy gęś mają warstwę izolacyjną pod piórami, tak my używamy gazu z marsjańskiej atmosfery. Jeśli użyjesz wystarczającej liczby cienkich koców termicznych, możesz uzyskać odrobinę izolacji.

Ostatnim skomplikowanym problemem powodowanym przez zimno jest problem reakcji materiałów tłumiących na niskie temperatury. „Większość helikopterów na Ziemi ma fizyczne, elastyczne amortyzatory, które podnoszą ciężar docierający do środkowej piasty helikoptera” – powiedział. Amortyzatory te pochłaniają znaczne drgania powstałe w wyniku obracania się łopatek z bardzo dużymi prędkościami. „Ale nie działają one tak dobrze w temperaturach marsjańskich, więc musieliśmy wykonać wiele prac projektowych, aby działały jako bardziej sztywny system”.

Autonomiczny odkrywca

Bezpośredni lot helikopterem z Ziemi nie jest możliwy ze względu na kilkuminutowe opóźnienie w komunikacji między tym miejscem a Marsem. Zamiast tego Ingenuity będzie w większości autonomiczny, wykorzystując swoje czujniki do wykrywania otoczenia wokół siebie i odpowiednio się poruszając.

Do tego zadania wykorzysta instrumenty pokładowe, w tym kamerę nawigacyjną, wysokościomierz laserowy i pakiet żyroskopu akcelerometru, zwany inercyjną jednostką pomiarową (IMU). Korzystając z tych narzędzi, statek może określić, dokąd zmierza i jak daleko znajduje się od ziemi. Może nawet wykrywać zagrożenia, aby ominąć potencjalne przeszkody na swojej drodze.

Oznacza to, że technicy na ziemi przekazują statkowi plan lotu, a następnie Ingenuity może go wykonać, jak wyjaśnił Ravich: „Sposób latania helikopterem polega na tym, że my wprowadź plan lotu, w zasadzie tor lotu, mówiąc „obracaj ostrzami tak długo, leć tutaj, zawróć, leć tutaj”… a następnie Ingenuity wykonuje tę sekwencję poprzez samo."

Helikopter musi pozostać w zasięgu komunikacji z łazikiem, który wynosi około jednego kilometra, a najlepiej powinien mieć bezpośrednią linię wzroku. Ale poza tym Ingenuity może działać niezależnie i może szarżować, startować i lądować bez żadnego wsparcia ze strony łazika. Plan jest taki, że helikopter będzie mierzył się z jednym wyzwaniem na raz i sprawdzał, na ile jest zdolny do manewrowania po planecie.

„Wykonamy serię coraz bardziej złożonych misji” – powiedział Ravich. „Nominalnie misja obejmuje od jednego do trzech lotów, ale w zależności od rozwoju sytuacji może obejmować nawet pięć lotów… Każdy lot będzie nieco bardziej złożony. W pierwszym wzniesiemy się, zawisniemy i wylądujemy. Drugi może polegać na wzniesieniu się, odwróceniu się, może poruszeniu się trochę, a następnie powrocie i wylądowaniu. Pod koniec, jeśli wszystko pójdzie dobrze, mogą zdecydować się wznieść się w powietrze, odlecieć w tamtą stronę, znaleźć nowe miejsce lądowania i zachować je jako następną bazę operacyjną.

Udowodnienie koncepcji

Ingenuity nie jest w założeniu misją naukową, więc nie będzie gromadzić danych naukowych – choć eksperci mają nadzieję, że uda im się wykorzystać część zgromadzonych danych. Celem misji jest wykazanie, że technologicznie wykonalny jest lot wiropłatem na inną planetę oraz zebranie danych inżynieryjnych, które pomogą w projektowaniu przyszłych helikopterów marsjańskich.

Oznacza to, że istnieje pewien stopień elastyczności w sposobie poruszania się statku, ponieważ nie ma potrzeby manewrowania w dokładne miejsce na powierzchni. Statek prawdopodobnie pozostanie w odległości kilkuset metrów od łazika Perseverance, więc będzie mógł ustawić się względem niego. „Myślę, że do pewnego stopnia nie ma większego znaczenia, jak precyzyjnie lecimy – helikopter będzie dokładnie wiedział, gdzie myśli, że się znajduje” – powiedział Ravich. „Z wyższego poziomu nie ma większego znaczenia, czy wyląduje 3 metry w tę, czy 3 metry w tamtą stronę – pod warunkiem, że wyląduje bezpiecznie”.

Pomoc z powietrza

Jeśli koncepcja Ingenuity sprawdzi się w praktyce zgodnie z przewidywaniami, helikoptery mogą okazać się nieocenione pomoc w przyszłych misjach łazików, wykonywanie zdjęć powierzchni i przyspieszanie eksploracji dokładny.

Matt Golombek, weteran misji naukowych na Marsa, specjalizujący się w wyborze miejsc lądowania na Marsie i będący głównym badaczem w sprawie pierwszej propozycji dotyczącej helikoptera marsjańskiego wyjaśnił Digital Trends, w jaki sposób helikoptery mogą być przydatne w przyszłych eksploracjach operacje.

Wypełnienie luki w rozdzielczości

Jednym z najcenniejszych zadań, jakie mogą wykonać przyszłe misje helikopterowe, byłoby wykonywanie zdjęć o wysokiej rozdzielczości w celu wypełnienia tak zwanej „luki w rozdzielczości” zdjęć powierzchni Marsa. Odnosi się to do „różnicy pomiędzy obrazami o najwyższej rozdzielczości, jakie mamy z orbity, która wynosi około 25 centymetrów (około 10 cali) na piksel i nazywana jest Obrazy HiRISEw porównaniu z tym, co można było zobaczyć na ziemi podczas poprzednich misji łazikiem, gdzie nasza rozdzielczość jest bliższa 3 centymetrom na piksel” – powiedział Golombek. „To mniej więcej rząd wielkości”.

Chociaż zdjęcia powierzchni planety w wysokiej rozdzielczości wykonane za pomocą instrumentu HiRISE są niezwykle szczegółowe, biorąc pod uwagę, że zostały wykonane z orbity, to jednak nie są wystarczająco szczegółowe, aby pokazać cechy strukturalne lądu, takie jak wychodnie, lub zidentyfikować obszary zainteresowań naukowych, takie jak określone skały, do których mogą dotrzeć łaziki odwiedzać. Dlatego łaziki muszą badać obszar, na którym lądują, aby znaleźć skały lub inne obiekty, które są naukowo interesujące do zbadania.

Helikopter mógłby służyć jako zwiadowca w misjach łazika, wykonując zdjęcia bardziej szczegółowe niż te, które są możliwe z orbity. Obrazy te można wykorzystać do identyfikacji obszarów o szczególnym znaczeniu naukowym, dzięki czemu zespół będzie mógł wysłać łazik bezpośrednio do najcenniejszych celów badań.

Rozszerzanie obszarów zasięgu łazików

Jedną z rzeczy, z których możesz nie zdawać sobie sprawy w przypadku misji łazików marsjańskich, jest to, jak mały obszar pokrywa każdy łazik, ponieważ mają ograniczoną moc, na której mogą działać, a każdy wykonywany przez nich ruch musi być dokładnie zaplanowany. Na przykład Perseverance pokona w swojej głównej misji od 3 do 12 mil (5 do 20 kilometrów). Natomiast najdalszy łazik planety, Opportunity, w ciągu swojego 14-letniego życia pokonał niesamowitą odległość 45 kilometrów. Choć jest to imponujące jak na łazik badający odległą planetę, odległości te stanowią zaledwie ułamek całkowitej powierzchni Marsa.

Na przykład łazik może potrzebować tygodni na przebycie kilometra. Podczas gdy Ingenuity może przelecieć do jednego kilometra w zaledwie 90 sekund, chociaż zespół nie planuje podczas swojej pierwszej misji używać helikoptera z tak dużą prędkością. Jednak przyszłe helikoptery będą mogły badać znacznie większy obszar planety, a wykonane przez nie zdjęcia będą bezcenne, jeśli chodzi o umieszczenie odkryć łazików w szerszym kontekście. Takie obrazy pomogłyby naukowcom zrozumieć globalną geologię planety i powiedzieć im, czy obszary badane przez łazik są reprezentatywne dla większego środowiska marsjańskiego.

Helikopter mógłby również pomóc w rozszerzeniu obszaru badań, znacznie skracając czas potrzebny łazikom na poruszanie się po powierzchni. Obecnie trasy jazdy łazikami wyznaczane są na podstawie obrazów o najwyższej dostępnej rozdzielczości, ale obrazy te nie zawsze pokazują przeszkody lub niebezpieczeństwa, dlatego kierowcy muszą nawigować powoli i ostrożnie.

„Zazwyczaj maksymalny zasięg łazika w ciągu dnia wynosi od 60 do 100 metrów” – powiedział Golombek. „Ale gdybyś miał informacje w wysokiej rozdzielczości, wiedziałbyś dokładnie, gdzie bezpiecznie jechać ścieżek można było to łatwo podwoić lub potroić, a tym samym znacznie szybciej dotrzeć do celu”.

Znalezienie miejsca do lądowania

Zanim jednak łazik będzie mógł eksplorować teren, musi wylądować. Wsparcie z powietrza mogłoby również pomóc w procesie wyboru miejsca lądowania.

„Wybór miejsca lądowania to połączenie określenia, jak bezpieczne jest lądowanie na powierzchni zaprojektowanego i zbudowanego statku kosmicznego — lądowniki nie lubią mieć pod sobą dużych skał, które mogłyby je przebić lub przewrócić, strome zbocza na ogół nie są dobrą rzeczą, a obszary, które są bardzo niestabilne i w których możesz się zatopić, to zły wybór — dlatego istnieje cały zestaw tego, co nazywamy ograniczeniami inżynieryjnymi” – stwierdził Golombek.

Te ograniczenia inżynieryjne są również skomplikowane ze względu na cienką atmosferę Marsa, która utrudnia pojazdom wyhamowanie przy użyciu spadochronów podczas lądowania. Dlatego zespół musi wziąć pod uwagę również wysokość miejsca lądowania, aby mieć pewność, że pojazd będzie mógł tam bezpiecznie wylądować.

„A potem masz cele naukowe, które opierają się na ładunku, który przewozisz i cele naukowe misji – czyli rzeczy, których chcesz się nauczyć i dowiedzieć o Marsie” – powiedział NA. „Musisz rozważyć to wszystko razem, aby znaleźć miejsce [do lądowania], które będzie zarówno bezpieczne, jak i interesujące z naukowego punktu widzenia dla tej konkretnej misji”.

Osoby wybierające miejsca lądowania, tak jak Golombek, w dużej mierze polegają na zdjęciach wykonanych z orbity, aby ustalić, które miejsca spełnią te kryteria. A najmniejsze odchylenia od oczekiwań mogą powodować problemy, takie jak te, których doświadczył lądownik InSight, który wylądował na Marsie w 2018 roku. Zespołowi InSight udało się znaleźć miejsce, które było odpowiednio płaskie i wolne od skał, a ich przewidywania dotyczące materiałów tworzących powierzchnię były całkowicie trafne. Jednak gleba pod powierzchnią lądownika okazała się nieco inna niż oczekiwano, ponieważ została ubita w twardszy materiał zwany duracrustem. A to spowodowało wiele problemów podczas prób zakop sondę cieplną lądownika Pod powierzchnią.

„Dane orbitalne, na podstawie których wyciąga się wnioski, co naprawdę znajduje się na powierzchni, zawsze są niejednoznaczne” – powiedział Golombek. „Ogólnie rzecz biorąc, jeśli chodzi o wybór miejsca lądowania, bardzo dobrze poradziliśmy sobie z pomiarem i scharakteryzowaniem ograniczeń inżynieryjnych — skały obfitość, zbocza i tak dalej — głównie dlatego, że obrazy HiRISE mają wystarczająco wysoką rozdzielczość, aby zobaczyć duże skały i zmierzyć stoki. Jednak byliśmy trochę mniej dokładni w zrozumieniu tego, co nazwałbym ustawieniem geologicznym. To znaczy, jak powstał ten obszar i jakie były główne siły geologiczne, które go ukształtowały. To było trudniejsze.

Ponieważ obrazy uzyskane z orbity mają ograniczoną rozdzielczość, trudno jest dostrzec szczegóły które są potrzebne do najdokładniejszej identyfikacji celów będących przedmiotem zainteresowania naukowego, takich jak określone osady skały. Posiadanie obrazów o znacznie wyższej rozdzielczości, na przykład tych, które można uchwycić za pomocą helikoptera, byłoby nieocenione wybieranie miejsc lądowania, które byłyby bezpieczne dla pojazdów i maksymalizowały szanse na osiągnięcie ważnych celów naukowych Wyniki.

Helikoptery mogłyby nawet przenosić różnego rodzaju instrumenty, takie jak radar penetrujący ziemię, który mógłby bezpośrednio informować naukowców o tym, co czai się pod powierzchnią Marsa.

Powiązany:Radar penetrujący ziemię do betonu

Polowanie na życie z góry

Helikoptery można jednak wykorzystać nie tylko do wspierania innych misji. Taką maszynę można potencjalnie wyposażyć w dowolny rodzaj kamery, na przykład radar, podczerwień lub termowizję, która może ujawnić skład i mineralogię marsjańskiego gruntu.

Jest to ważne, ponieważ narzędzia te umożliwiają identyfikację niektórych minerałów, takich jak glina, które powstają w obecności wody. Obszary o dużym zagęszczeniu tych minerałów ilastych są kluczowymi celami badań, czy tam występują mogło kiedyś istnieć życie na Marsie.

Do najciekawszych celów badawczych naukowców należą skarpy, czyli strome klify powstałe w wyniku erozji, ponieważ odsłaniają one warstwy skał, które ułożyły się na przestrzeni czasu. Patrzenie na te warstwy przypomina spoglądanie wstecz na historię Marsa. Jednakże, ponieważ są one strome i skaliste, obszary te są trudne do eksploracji dla łazików i muszą postępować bardzo ostrożnie. Na przykład łazik Opportunity przez cały rok ostrożnie okrążał krawędź jednej z takich skarpy go zobrazować, podczas gdy „tego rodzaju zdjęcia można było uzyskać helikopterem w ciągu kilku dni” – Golombek powiedział.

Zapytany, czy jest jakieś szczególne miejsce na Marsie, które osobiście chciałby zbadać helikopterem, Golombek się roześmiał. „Są setki, tysiące!” powiedział. „Powierzchnia Marsa jest podobna do odsłoniętej powierzchni nad wodą Ziemi. Pomyśl o różnicach między Wielkim Kanionem a Himalajami, między strefami przybrzeżnymi a wnętrzami. Jest tak wiele różnych miejsc, które powiedzą ci ciekawe rzeczy.

Narzędzia w marsjańskiej skrzynce narzędziowej

Obaj eksperci zgodzili się, że przyszłość eksploracji Marsa nie zależy od helikopterów ani łazików, ale raczej od wykorzystania obu w zależności od potrzeb do różnych zadań.

„W głębi serca jestem inżynierem, więc dla mnie wszystkie te narzędzia są narzędziami w skrzynce z narzędziami” – powiedział Ravich. „W przypadku ciał atmosferycznych, takich jak Mars, będzie mocny argument, że pojazd powietrzny jest odpowiedzią na wszystko, co chcesz zrobić. Jeśli chcesz zejść do wielkiej dziury takiej jak kanion, lub jeśli chcesz wspiąć się na górę, to będzie najlepsza odpowiedź. Jednak zawsze istnieje ograniczenie tego, co możemy unieść — dlatego ptaki są tak lekkie, a słonie nie — więc zawsze będziesz w stanie przeprowadzić więcej badań naukowych i przewieźć więcej pojazdem [naziemnym].

Zapotrzebowanie na różne typy pojazdów staje się jeszcze bardziej oczywiste, gdy w planowaniu przyszłych misji załogowych na Marsa wkraczają ludzie. „Prawdopodobnie będziemy potrzebować obu” – powiedział Ravich. „Jeśli spojrzysz na dzisiejszych ludzi, wchodzimy w interakcje z pojazdami naziemnymi i powietrznymi i nie widzę, aby to się miało zmienić”.

Zalecenia redaktorów

• Kosmologiczny dojazd: skomplikowana logistyka wysłania ludzi na Marsa
• Sztuczne atmosfery: jak zbudujemy na Marsie bazę z powietrzem do oddychania
• 7 minut grozy: fragment szalonej sekwencji lądowania na Marsie „Perseverance”.
• Pył marsjański jest dużym problemem dla astronautów. Oto, jak NASA z tym walczy
• Jak łazik Perseverance NASA będzie szukać życia na Marsie