Faceți cunoștință cu Ingeniozitatea: elicopterul de înaltă tehnologie conceput să zboare pe Marte

Când NASA va lansa roverul Perseverance în călătoria sa pe Marte săptămâna aceasta, va avea un însoțitor ascuns lângă el în Conul nasului rachetei Atlas V: un elicopter numit Ingenuity, care urmează să devină primul helicopter care a zburat vreodată pe altul planetă. Acest elicopter miniatural experimental ar putea deschide un domeniu complet nou de explorare a lui Marte, în timp ce cercetează planeta din aer.

Dar dacă credeți că este greu să proiectați un vehicul terestre care să manevreze în jurul unei planete aflate la sute de milioane de mile distanță, imaginați-vă că încercați pentru a proiecta un elicopter care poate zbura într-o atmosferă atât de subțire încât abia se află acolo, la temperaturi înghețate, în timpul navigării în mod autonom.

Am vorbit cu un inginer principal și un om de știință senior în cadrul proiectului Ingenuity la Jet Propulsion Lab al NASA pentru a afla cum au făcut-o și cum ar putea arăta viitorul explorării Marte.

O provocare fără precedent

Construirea unui elicopter care poate zbura pe o altă planetă vine cu numeroase provocări, dintre care cea mai presantă este cum să faci ceva să rămână în aer atunci când atmosfera este atât de subțire. Atmosfera lui Marte este de numai aproximativ 1% din densitatea atmosferei de pe Pământ, ceea ce este echivalentul a fi la o altitudine de 100.000 de picioare. Pentru a demonstra cât de dificil face zborul, recordul de altitudine pentru zborul cu elicopterul pe Pământ este de puțin peste 40.000 de picioare.

Elicopterele funcționează prin mișcarea aerului foarte rapid folosind lame rotative, care împing aerul în jos și creează portanță. Dar pe Marte, aerul subțire oferă o portanță foarte mică, chiar și atunci când este mutat cu lame. Deși designerii au primit ajutor din faptul că gravitația este mai mică pe Marte, la puțin peste o treime din forța gravitațională de pe Marte. Pământ, mai exista problema semnificativă de a face o ambarcațiune care să se poată susține doar cu o atmosferă subțire pentru a funcționa cu.

„Soluția la această problemă este masa redusă”, a declarat Josh Ravich, responsabil de inginerie mecanică pentru Ingenuity, pentru Digital Trends, „care a fost În general, cea mai grea provocare a întregii misiuni, de a menține masa scăzută.” Întregul elicopter trebuia să cântărească sub 4 lire (1,8 kilograme) ceea ce a necesitat folosirea unor materiale atent selectate, iar sasiul principal este foarte mic, fiind un cub de 14cm (5,5 inci) in marime.

Și problema greutății a limitat și alte aspecte ale meșteșugului: „Trebuie să echilibrăm cum multă putere pe care o poți transporta sub formă de baterii pentru a rula vehiculul și cât de mari pot fi lamele tale”, Ravich a spus. Bateriile sunt necesare deoarece energia este colectată folosind un panou solar deasupra vehiculului, care îi permite acestuia să se încarce autonom.

Lamele elicopterului trebuie să fie mari - au o întindere de puțin sub 4 picioare (1,2 metri) - pentru a oferi suficientă portanță pentru ca vehiculul să zboare. Pentru a face lame suficient de mari și suficient de ușoare, echipa a folosit materiale noi, inclusiv compozite similare cu fibra de carbon. Există patru pale în total, aranjate în două rotoare, fiecare dintre ele se rotește cu până la 2.400 rpm, mult mai rapid decât viteza de aproximativ 500 rpm tipică pentru palele elicopterelor de pe Pământ.

Problema frigului

O altă problemă care avea nevoie de inovații materiale a fost problema temperaturii suprafeței, care poate scădea până la minus 100 de grade Fahrenheit noaptea. Când este atât de frig, sistemele electronice nu funcționează în mod fiabil, iar vehiculul trebuie să folosească o putere prețioasă pentru a rămâne cald. Așadar, echipa Ingenuity a venit cu o soluție folosind straturi subțiri de izolație în jurul componentelor electronice delicate ale vehiculului.

„În mod normal, ați rezolva acest lucru punând multă izolație groasă acolo, totuși, izolația este destul de grea”, a spus Ravich. „Așa că am ajuns să folosim o parte din atmosfera în sine, așa cum o rață sau o gâscă ar avea un strat de izolație sub pene, folosim gazul din atmosfera marțiană. Dacă folosiți suficiente pături termice subțiri, puteți obține puțină izolație.”

O ultimă problemă de complicare cauzată de frig este problema modului în care materialele de umezire reacţionează la temperaturi scăzute. „Majoritatea elicopterelor de pe Pământ au amortizoare elastice fizice care ridică greutatea care vine în centrul central al elicopterului”, a spus el. Aceste amortizoare absorb vibrațiile considerabile cauzate de rotirea lamelor la viteze foarte mari. „Dar acestea nu funcționează la fel de bine la temperaturile lui Marte, așa că a trebuit să facem o mulțime de design pentru a face ca acesta să funcționeze ca un sistem mai rigid.”

Un explorator autonom

Nu este posibil să zbori direct cu elicopterul de pe Pământ din cauza întârzierii de mai multe minute între aici și Marte. În schimb, Ingenuity va fi în mare parte autonom, folosind senzorii săi pentru a detecta mediul din jurul său și mișcându-se în consecință.

Pentru această sarcină, va folosi instrumente de la bord, inclusiv o cameră de navigație, un altimetru laser și un pachet giroscop accelerometru numit unitate de măsură inerțială (IMU). Folosind aceste instrumente, ambarcațiunea poate determina încotro se îndreaptă și cât de departe este de sol. Poate chiar să detecteze pericolele pentru a evita potențialele obstacole în calea sa.

Asta înseamnă că tehnicienii de la sol dau aeronavei un plan de zbor, iar apoi Ingenuity îl poate executa, după cum a explicat Ravich: „Modul în care este zburat elicopterul este că noi introduceți un plan de zbor, practic o traiectorie de zbor, spunând „învârte paletele atât de mult, zboară până aici, întoarce-te, zboară aici”… și apoi Ingenuity face secvența respectivă în sine.”

Elicopterul trebuie să rămână în raza de comunicație cu roverul, care este de aproximativ un kilometru și, în mod ideal, ar trebui să aibă o linie directă de vedere. Dar, dincolo de asta, Ingenuity poate funcționa independent și poate încărca, decola și ateriza fără niciun sprijin din partea roverului. Planul este ca elicopterul să abordeze câte o provocare la un moment dat, pentru a vedea cât de capabil este să manevreze în jurul planetei.

„Vom zbura cu o serie de misiuni din ce în ce mai complexe”, a spus Ravich. „În mod nominal, misiunea este de unul până la trei zboruri, dar ar putea fi până la cinci zboruri, în funcție de cum decurg lucrurile... Fiecare zbor va fi puțin mai complex. Primul, ne vom ridica, vom pluti în jur, ne vom ateriza. Al doilea ar putea fi să se ridice, să se întoarcă, poate să se miște puțin, apoi să se întoarcă și să aterizeze. Spre sfârșit, dacă lucrurile merg bine, s-ar putea decide să se ridice, să zboare pe acolo și să găsească un nou loc de aterizare și să păstreze acesta ca următoarea bază de operațiuni.”

Demonstrarea conceptului

Ingeniozitatea nu este concepută ca o misiune științifică, așa că nu va colecta date științifice - deși experții speră că vor putea folosi unele dintre datele pe care le colectează. Scopul misiunii este de a demonstra că este fezabil din punct de vedere tehnologic să zbori cu un helicopter pe o altă planetă și să colecteze date de inginerie pentru a ajuta la proiectarea viitoarelor elicoptere Marte.

Aceasta înseamnă că există un anumit grad de flexibilitate în modul în care ambarcațiunea se poate mișca, deoarece nu este nevoie ca aceasta să manevreze într-o locație exactă de pe suprafață. Ambarcațiunea va rămâne probabil la câteva sute de metri de roverul Perseverance, astfel încât să se poată poziționa în raport cu acesta. „Într-o oarecare măsură, nu cred că contează prea mult cât de precis suntem în timp ce zburăm – elicopterul va ști exact unde crede că este”, a spus Ravich. „De la un nivel superior, nu contează prea mult dacă aterizează la 10 picioare în acest sens sau la 10 picioare în altul – atâta timp cât aterizează în siguranță.”

Asistență din aer

Dacă conceptul Ingenuity funcționează în practică așa cum era anticipat, elicopterele ar putea oferi o valoare neprețuită asistență pentru viitoarele misiuni rover, luând imagini ale suprafeței și făcând explorarea mai rapidă și mai mult exacte.

Matt Golombek, un veteran al misiunilor științifice pe Marte, specializat în alegerea locurilor de aterizare pe Marte și care a fost investigatorul principal pentru prima propunere pentru elicopterul Marte, a explicat pentru Digital Trends modul în care elicopterele ar putea fi benefice pentru explorarea viitoare operațiuni.

Completarea golului de rezoluție

Una dintre cele mai valoroase sarcini pe care le-ar putea îndeplini viitoarele misiuni de elicopter ar fi realizarea de fotografii de înaltă rezoluție pentru a umple ceea ce este cunoscut sub numele de „golul de rezoluție” al imaginilor de pe suprafața lui Marte. Aceasta se referă la „diferența dintre imaginile cu cea mai mare rezoluție pe care le avem de pe orbită, care sunt de aproximativ 25 de centimetri (aproximativ 10 inchi) pe pixel și se numesc HiRISE imagini, față de ceea ce puteți vedea la sol în misiunile anterioare cu rover, unde rezoluția noastră este ceva mai aproape de 3 centimetri per pixel”, a spus Golombek. „Este vorba de un ordin de mărime.”

Deși imaginile de înaltă definiție ale suprafeței planetei luate cu instrumentul HiRISE sunt incredibil de detaliate, având în vedere că sunt capturate de pe orbită, ele nu sunt suficient de detaliate pentru a arăta trăsăturile structurale ale terenului, cum ar fi aflorimentele, sau pentru a identifica zone de interes științific, cum ar fi anumite roci pentru roveri. vizita. Deci, roverii trebuie să exploreze zona în care aterizează pentru a găsi roci sau alte caracteristici care sunt interesante din punct de vedere științific de investigat.

Un elicopter ar putea fi folosit ca cercetător pentru misiunile rover, luând imagini mai detaliate decât cele posibile de pe orbită. Aceste imagini ar putea fi utilizate în identificarea zonelor de interes științific deosebit, astfel încât echipa să poată trimite rover-ul direct către cele mai valoroase ținte pentru cercetare.

Extinderea zonelor de acoperire ale roverelor

Un lucru pe care s-ar putea să nu-ți dai seama despre misiunile roverului pe Marte este cât de mică este suprafața pe care o acoperă fiecare rover, deoarece au putere limitată pentru a opera și fiecare mișcare pe care o face trebuie planificată cu atenție. Perseverența, de exemplu, va acoperi între 3 și 12 mile (5 și 20 de kilometri) în misiunea sa principală. Iar cel mai îndepărtat rover al planetei, Opportunity, a acoperit o lungime incredibilă de 45 de kilometri de-a lungul duratei sale de viață de 14 ani. Oricât de impresionant este pentru un rover care explorează o planetă îndepărtată, aceste distanțe reprezintă doar o fracțiune din suprafața totală a lui Marte.

Un rover ar putea dura săptămâni pentru a parcurge un kilometru, de exemplu. În timp ce Ingenuity ar putea călători până la un kilometru în doar 90 de secunde, deși echipa nu intenționează să ruleze elicopterul la viteze atât de mari în prima sa misiune. Dar elicopterele viitoare ar putea explora o zonă mult mai mare a planetei, iar imaginile pe care le-au capturat ar fi de neprețuit pentru a pune descoperirile roverelor într-un context mai larg. Astfel de imagini i-ar ajuta pe oamenii de știință să înțeleagă geologia globală a planetei și să le spună dacă zonele studiate de rover sunt reprezentative pentru mediul marțian mai mare.

Elicopterul ar putea ajuta, de asemenea, la extinderea zonei de investigație prin reducerea substanțială a timpului necesar roverilor pentru a naviga pe suprafață. În prezent, rutele de conducere rover sunt determinate folosind imaginile de cea mai înaltă rezoluție disponibile, dar aceste imagini nu arată întotdeauna obstacole sau pericole, astfel încât șoferii trebuie să navigheze încet și cu grija.

„De obicei, maximul rover-urilor care circulă într-o zi este de 60 până la 100 de metri”, a spus Golombek. „Dar dacă ai avea aceste informații de înaltă rezoluție, asta ți-ar spune în mod specific unde este unitatea sigură căile erau, puteai dubla sau tripla atât de ușor și, astfel, să ajungi la destinație mult mai repede.”

Găsirea unui loc de aterizare

Înainte ca un rover să poată explora, totuși, trebuie să aterizeze. Și procesul de selectare a unui loc de aterizare ar putea beneficia și de suport aerian.

„Selectarea locului de aterizare este o combinație a caracterizării cât de sigură este suprafața pentru a ateriza cu nava spațială pe care ați proiectat-o ​​și construit-o - aterizatorilor nu le place să aibă sub ei stânci mari care le-ar putea trage în țeapă sau le-ar răsturna, pantele abrupte nu sunt în general un lucru bun și zonele care sunt foarte pufoase în care te-ai putea scufunda sunt alegeri proaste – așa că există o suită întreagă de ceea ce numim constrângeri de inginerie.” spuse Golombek.

Aceste constrângeri de inginerie sunt, de asemenea, complicate de atmosfera subțire a lui Marte, deoarece acest lucru îngreunează vehiculele să încetinească folosind parașute pe măsură ce vin pentru aterizare. Deci, echipa trebuie să ia în considerare și înălțimea unui loc de aterizare, pentru a se asigura că vehiculul poate ateriza acolo în siguranță.

„Și apoi aveți obiective științifice, care se bazează pe sarcina utilă pe care o transportați și pe obiectivele științifice ale misiunii — lucrurile pe care doriți să le învățați și să aflați despre Marte”, a spus el pe. „Și trebuie să le cântăriți pe toți împreună pentru a găsi un loc [de aterizare] care să fie atât sigur, cât și interesant din punct de vedere științific pentru acea misiune anume.”

Oamenii care selectează locurile de aterizare, cum ar fi Golombek, se bazează în mare măsură pe imaginile luate de pe orbită pentru a afla care site-uri vor îndeplini aceste criterii. Și cele mai mici abateri de la ceea ce se așteaptă pot cauza probleme, cum ar fi cele pe care le întâmpină landerul InSight care a aterizat pe Marte în 2018. Echipa InSight a reușit să găsească o locație care să fie plată și lipsită de pietre, iar predicțiile lor despre materialele care alcătuiesc suprafața au fost în întregime exacte. Cu toate acestea, solul de sub suprafața locului unde se află aterizatorul s-a dovedit a fi ușor diferit de cel așteptat, fiind compactat într-un material mai dur numit duracrust. Și acest lucru a cauzat multe probleme în încercarea de a face acest lucru îngropați sonda de căldură a landerului sub suprafață.

„Există întotdeauna ambiguitate în datele orbitale pe care le folosiți pentru a deduce ceea ce este cu adevărat la suprafață”, a spus Golombek. „În general, pentru selectarea locului de aterizare, am fost foarte buni la măsurarea și caracterizarea constrângerilor inginerești - roca abundența și pantele și așa mai departe - mai ales pentru că imaginile HiRISE au o rezoluție suficient de mare pentru a vedea pietre mari și a măsura pante. Dar am fost puțin mai puțin precisi în a înțelege ceea ce aș numi cadru geologic. Adică, cum a apărut acea zonă, care au fost principalele forțe geologice care au modelat-o. Asta a fost mai greu.”

Deoarece imaginile obținute de pe orbită au o rezoluție limitată, este dificil să vezi tipurile de detalii care sunt necesare pentru a identifica cel mai precis țintele de interes științific, cum ar fi anumite sedimente stânci. A avea imagini cu rezoluție mult mai mare, cum ar fi cele care ar putea fi capturate de un elicopter, ar fi de neprețuit alegerea locurilor de aterizare care erau atât sigure pentru vehicule și maximizau șansele de a face științifice importante constatări.

Elicopterele ar putea transporta chiar diferite tipuri de instrumente, cum ar fi radarul care pătrunde la sol, care le-ar putea spune oamenilor de știință în mod direct despre ceea ce se ascunde sub suprafața marțiană.

Legate de:Radar de penetrare a solului pentru beton

Vânătoare pentru viață de sus

Elicopterele ar putea fi folosite pentru mai mult decât pentru sprijinul altor misiuni. O astfel de mașină ar putea fi echipată cu orice tip de cameră, cum ar fi instrumente de radar, infraroșu sau de imagistică termică, care pot dezvălui compoziția și mineralogia pământului marțian.

Acest lucru este important deoarece aceste instrumente pot identifica anumite minerale, cum ar fi argila, care se formează atunci când este prezentă apă. Zonele cu densități mari ale acestor minerale argiloase sunt ținte cheie pentru cercetarea dacă există poate că odată a fost viață pe Marte.

Unele dintre cele mai interesante ținte pe care oamenii de știință le pot cerceta sunt escarpele, sau stâncile abrupte formate prin eroziune, deoarece acestea dezvăluie straturile de rocă care au fost așezate de-a lungul timpului. Privirea acestor straturi este ca și cum a privi înapoi în istoria marțiană. Cu toate acestea, deoarece sunt abrupte și stâncoase, aceste zone sunt dificil de explorat de către roveri și trebuie să procedeze cu foarte multă atenție. Roverul Opportunity, de exemplu, a petrecut un an întreg conducând cu atenție pe marginea unui astfel de escarp. să-l imagineze, în timp ce „aceste fel de imagini ar fi putut fi obținute în câteva zile de un elicopter”, a spus Golombek. a spus.

Când a fost întrebat dacă există o anumită locație pe Marte pe care și-ar dori personal să o exploreze cu elicopterele, Golombek a râs. „Sunt sute – mii!” el a spus. „Suprafața lui Marte este similară cu suprafața expusă deasupra apei Pământului. Gândiți-vă la diferențele dintre Marele Canion și Himalaya, dintre zonele de coastă și interioare. Există atât de multe locuri diferite care îți vor spune lucruri interesante.”

Instrumente în cutia de instrumente marțiană

Ambii experți au fost de acord că viitorul explorării lui Marte nu a fost o chestiune nici de elicoptere, nici de rover, ci mai degrabă de a le folosi pe ambele așa cum este necesar pentru diferite sarcini.

„Sunt un inginer la suflet, așa că pentru mine, toate sunt unelte din cutia de instrumente”, a spus Ravich. „Pentru corpurile atmosferice precum Marte, va exista un caz puternic că un vehicul aerian este răspunsul pentru orice vrei să faci. Dacă vrei să cobori într-o gaură mare ca un canion, sau dacă vrei să urci un munte, acesta va fi cel mai bun răspuns. Dar există întotdeauna o limită a ceea ce putem transporta – de aceea păsările sunt atât de ușoare, iar elefanții nu – așa că veți putea întotdeauna să faceți mai multă știință și să transportați mai mult cu un vehicul [terrestru].”

Necesitatea mai multor tipuri de vehicule devine și mai clară atunci când oamenii intră în imagine, când planifică viitoarele misiuni cu echipaj pe Marte. — Probabil că vom avea nevoie și de amândouă, spuse Ravich. „Dacă te uiți la oameni astăzi, interacționăm cu vehiculele terestre și aeriene și nu văd că asta se schimbă.”

Recomandările editorilor

• O navetă cosmologică: logistica complicată a punerii oamenilor pe Marte
• Atmosfere artificiale: Cum vom construi o bază cu aer respirabil pe Marte
• 7 minute de teroare: o defalcare a secvenței nebunești de aterizare pe Marte a lui Perseverance
• Praful de Marte este o mare problemă pentru astronauți. Iată cum luptă NASA
• Cum va căuta Perseverance Rover de la NASA viața pe Marte