Встречайте изобретательность: высокотехнологичный вертолет, предназначенный для полетов на Марс

Когда НАСА на этой неделе запустит марсоход Perseverance в путешествие к Марсу, рядом с ним в космосе будет находиться спутник. Носовой обтекатель ракеты Atlas V: вертолет под названием Ingenuity, который станет первым винтокрылым аппаратом, когда-либо летавшим на другом планета. Этот экспериментальный миниатюрный вертолет может открыть совершенно новую область исследования Марса, поскольку он обследует планету с воздуха.

Но если вы думаете, что сложно спроектировать наземное транспортное средство, способное маневрировать вокруг планеты, находящейся за сотни миллионов миль от нее, представьте, что вы пытаетесь это сделать. спроектировать вертолет, который сможет летать в настолько разреженной атмосфере, что ее почти нет, при минусовых температурах и во время навигации автономно.

Мы поговорили с ведущим инженером и старшим научным сотрудником проекта Ingenuity в Лаборатории реактивного движения НАСА, чтобы узнать, как они это сделали и как может выглядеть будущее исследования Марса.

Беспрецедентный вызов

Создание вертолета, способного летать на другой планете, сопряжено с многочисленными проблемами, самая серьезная из которых — как заставить что-то оставаться в воздухе, когда атмосфера настолько разрежена. Плотность атмосферы Марса составляет всего около 1% от плотности атмосферы Земли, что эквивалентно нахождению на высоте 100 000 футов. Чтобы продемонстрировать, насколько трудным является полет, рекорд высоты полета вертолета на Земле составляет чуть более 40 000 футов.

Вертолеты работают, очень быстро перемещая воздух с помощью вращающихся лопастей, которые толкают воздух вниз и создают подъемную силу. Но на Марсе разреженный воздух обеспечивает очень небольшую подъемную силу, даже если его перемещать с помощью лопастей. Хотя дизайнерам помог тот факт, что гравитация на Марсе ниже, составляя чуть более трети от силы тяжести на Марсе. На Земле все еще существовала серьезная проблема создания корабля, который мог бы поддерживать себя только в тонкой атмосфере. с.

«Решением этой проблемы является малая масса», — сказал Digital Trends Джош Равич, руководитель машиностроения компании Ingenuity, — «что было В целом, самая сложная задача всей миссии — удержать массу на низком уровне». Весь вертолет должен был весить менее 4 фунтов (1,8 фунта). килограммов), что потребовало использования тщательно отобранных материалов, а основное шасси очень маленькое и представляет собой куб размером 14 см (5,5 дюйма). по размеру.

А проблема веса накладывает ограничения и на другие аспекты корабля: «Мы должны найти баланс между тем, как сколько энергии вы можете нести в виде аккумуляторов для работы автомобиля, и насколько большими могут быть ваши лезвия», — Равич сказал. Аккумуляторы необходимы, поскольку энергия собирается с помощью солнечной панели на крыше автомобиля, что позволяет ему заряжаться автономно.

Лопасти вертолета должны быть большими — их размах чуть меньше 4 футов (1,2 метра) — чтобы обеспечить достаточную подъемную силу для полета автомобиля. Чтобы сделать лопасти достаточно большими и легкими, команда использовала новые материалы, в том числе композиты, похожие на углеродное волокно. Всего имеется четыре лопасти, объединенные в два ротора, каждый из которых вращается со скоростью до 2400 об/мин, что намного быстрее, чем скорость примерно 500 об/мин, типичная для лопастей вертолета на Земле.

Проблема холода

Еще одной проблемой, требующей материальных инноваций, была проблема температуры поверхности, которая ночью может опускаться до минус 100 градусов по Фаренгейту. Когда так холодно, электронные системы не работают надежно, и автомобилю приходится расходовать драгоценную энергию, чтобы оставаться в тепле. Поэтому команда Ingenuity нашла решение, используя тонкие слои изоляции вокруг хрупких электронных компонентов автомобиля.

«Обычно эту проблему можно решить, поместив туда много толстой изоляции, однако изоляция довольно тяжелая», — сказал Равич. «В итоге мы использовали часть самой атмосферы, точно так же, как у утки или гуся под перьями есть слой изоляции, мы используем газ из марсианской атмосферы. Если вы используете достаточно тонкие термоодеяла, вы можете получить немного изоляции».

Еще одна осложняющая проблема, вызванная холодом, — это проблема того, как демпфирующие материалы реагируют на низкие температуры. «Большинство вертолетов на Земле имеют физические эластичные демпферы, которые поднимают вес, поступающий в центральную ступицу вертолета», — сказал он. Эти демпферы поглощают значительные вибрации, вызванные вращением лопастей на очень высоких скоростях. «Но они не так хорошо работают при температурах Марса, поэтому нам пришлось проделать большую работу по проектированию, чтобы сделать эту систему более жесткой».

Автономный исследователь

Непосредственно управлять вертолетом с Земли невозможно из-за задержки связи между нами и Марсом в несколько минут. Вместо этого Ingenuity будет в основном автономным, используя свои датчики для обнаружения окружающей среды и двигаясь соответствующим образом.

Для этой задачи он будет использовать бортовые инструменты, в том числе навигационную камеру, лазерный высотомер и блок акселерометра-гироскопа, называемый инерциальным измерительным блоком (IMU). Используя эти инструменты, аппарат может определить, куда он направляется и насколько далеко он находится от земли. Он даже может обнаруживать некоторые опасности, чтобы избежать потенциальных препятствий на своем пути.

Это означает, что технические специалисты на земле дают кораблю план полета, а затем Ingenuity может его выполнить, как объяснил Равич: «Способ управления вертолетом заключается в том, что мы введите план полета, по сути, траекторию полета, сказав: «Вращайте лопасти так долго, летите сюда, разворачивайтесь, летите сюда»… а затем Ingenuity выполняет эту последовательность действий, сам."

Вертолет должен оставаться в зоне действия связи с марсоходом, которая составляет примерно один километр, и в идеале должна иметь прямую видимость. Но помимо этого, Ingenuity может работать независимо и заряжаться, взлетать и приземляться без какой-либо поддержки со стороны марсохода. Планируется, что вертолет будет решать одну задачу за раз, чтобы проверить, насколько он способен маневрировать вокруг планеты.

«Мы выполним серию все более сложных миссий», — сказал Равич. «Номинально миссия состоит из одного-трех полетов, но их может быть и пять, в зависимости от того, как пойдут дела… Каждый полет будет немного сложнее. Первый, поднимемся, зависнем, приземлимся. Второй может подняться, развернуться, может быть, немного подвинуться, затем вернуться и приземлиться. Ближе к концу, если дела пойдут хорошо, они могут решить подняться, улететь этим путем, найти новое место приземления и сохранить его в качестве следующей оперативной базы.

Доказательство концепции

Ingenuity не задумана как научная миссия, поэтому она не будет собирать научные данные, хотя эксперты надеются, что они смогут использовать некоторые данные, которые она собирает. Цель миссии — продемонстрировать технологически осуществимость полета на винтокрылом аппарате на другую планету и собрать инженерные данные, которые помогут спроектировать будущие марсианские вертолеты.

Это означает, что существует некоторая степень гибкости в том, как корабль может двигаться, поскольку ему нет необходимости маневрировать в точном месте на поверхности. Корабль, вероятно, будет оставаться в пределах нескольких сотен ярдов от марсохода Perseverance, чтобы он мог расположиться относительно него. «В какой-то степени я не думаю, что имеет большое значение, насколько точны мы во время полета — вертолет будет точно знать, где, по его мнению, он находится», — сказал Равич. «С более высокого уровня не имеет большого значения, будет ли он приземляться на расстоянии 10 футов в ту сторону или 10 футов в другую сторону — главное, чтобы он приземлился безопасно».

Помощь с воздуха

Если концепция изобретательности сработает на практике так, как ожидалось, вертолеты могут принести неоценимую пользу. помощь будущим миссиям марсоходов, съемка поверхности и ускорение исследований точный.

Мэтт Голомбек, ветеран научных миссий на Марс, который специализируется на выборе мест для посадки на Марс и был главным исследователем. за первое предложение по вертолету для Марса, объяснил Digital Trends, как вертолеты могут быть полезны для будущих исследований. операции.

Заполнение пробела в разрешении

Одной из наиболее ценных задач, которые могут быть выполнены будущими вертолетными миссиями, будет съемка фотографий с высоким разрешением, чтобы заполнить так называемый «пробел в разрешении» изображений поверхности Марса. Это относится к «разнице между изображениями самого высокого разрешения, которые мы имеем с орбиты, которые составляют около 25 сантиметров (около 10 дюймов) на пиксель и называются Изображения HiRISE, по сравнению с тем, что вы могли видеть на земле в предыдущих миссиях марсохода, где наше разрешение составляет около 3 сантиметров на пиксель», — сказал Голомбек. «Это примерно на порядок».

Хотя изображения поверхности планеты в высоком разрешении, полученные с помощью инструмента HiRISE, невероятно детализированы, учитывая, что они сняты с орбиты, они недостаточно подробны, чтобы показать структурные особенности земли, такие как обнажения горных пород, или определить области научного интереса, такие как конкретные камни, которые марсоходы могут исследовать. посещать. Таким образом, марсоходам приходится исследовать территорию, в которой они приземляются, в поисках камней или других объектов, которые представляют интерес с научной точки зрения.

Вертолет можно использовать в качестве разведчика для миссий марсохода, получая более подробные изображения, чем те, которые возможны с орбиты. Эти изображения могут быть использованы для определения областей, представляющих особый научный интерес, чтобы команда могла направить марсоход прямо к наиболее ценным целям для исследования.

Расширение зоны покрытия марсоходов

Одна вещь, которую вы, возможно, не осознаете о миссиях марсохода, — это то, насколько мала территория, которую охватывает каждый марсоход, поскольку у них ограниченная мощность для работы, и каждое их движение необходимо тщательно планировать. Например, «Настойчивость» преодолеет от 3 до 12 миль (от 5 до 20 километров) по своей основной миссии. А самый дальний марсоход на планете, «Оппортьюнити», преодолел невероятные 28 миль (45 километров) за свой 14-летний срок службы. Каким бы впечатляющим это ни было для марсохода, исследующего далекую планету, эти расстояния составляют лишь часть общей площади поверхности Марса.

Например, марсоходу могут потребоваться недели, чтобы преодолеть километр. Тогда как Ingenuity может преодолевать расстояние до одного километра всего за 90 секунд, хотя команда не планирует запускать вертолет на таких высоких скоростях в своей первой миссии. Но будущие вертолеты смогут исследовать гораздо большую территорию планеты, и полученные ими изображения будут иметь неоценимое значение для помещения результатов марсохода в более широкий контекст. Такие изображения помогут ученым понять глобальную геологию планеты и расскажут им, являются ли области, изученные марсоходом, репрезентативными для более широкой марсианской среды.

Вертолет также может помочь расширить область исследования, существенно сократив время, необходимое марсоходам для навигации по поверхности. В настоящее время маршруты движения марсохода определяются с использованием доступных изображений с самым высоким разрешением, но на этих изображениях не всегда видны препятствия или опасности, поэтому водителям приходится двигаться медленно и осторожно. осторожно.

«Обычно максимальный пробег марсоходов за день составляет от 60 до 100 метров», — сказал Голомбек. «Но если бы у вас была эта информация с высоким разрешением, она бы точно сказала вам, где безопасно ехать. пути были, вы могли бы легко удвоить или утроить это количество и, таким образом, добраться до пункта назначения гораздо быстрее».

Находим место для посадки

Однако прежде чем марсоход сможет исследовать мир, ему необходимо приземлиться. А процесс выбора места посадки также мог бы выиграть от поддержки с воздуха.

«Выбор места посадки — это сочетание характеристик того, насколько безопасна поверхность для приземления космического корабля, который вы спроектировали и построили. посадочным модулям не нравится, когда под ними лежат большие камни, которые могут пронзить их или опрокинуть; крутые склоны, как правило, не являются хорошей вещью, и очень рыхлые области, в которых вы можете утонуть, — плохой выбор, поэтому существует целый набор того, что мы называем инженерными ограничениями». - сказал Голомбек.

Эти инженерные ограничения также осложняются тонкой атмосферой Марса, поскольку из-за этого транспортным средствам становится сложнее замедляться с помощью парашютов при заходе на посадку. Поэтому команде необходимо также учитывать высоту посадочной площадки, чтобы гарантировать, что транспортное средство сможет там безопасно приземлиться.

«И затем у вас есть научные цели, которые основаны на полезной нагрузке, которую вы несете, и научные цели миссии — то, что вы хотите изучить и узнать о Марсе», — сказал он. на. «И вам нужно взвесить все это вместе, чтобы найти место [для приземления], которое будет одновременно безопасным и интересным с научной точки зрения для этой конкретной миссии».

Люди, которые выбирают места для посадки, такие как Голомбек, в основном полагаются на изображения, сделанные с орбиты, чтобы выяснить, какие места будут соответствовать этим критериям. И малейшие отклонения от ожидаемого могут вызвать проблемы, подобные тем, с которыми столкнулся спускаемый аппарат InSight, приземлившийся на Марс в 2018 году. Команде InSight удалось найти достаточно ровное и свободное от камней место, и их прогнозы относительно материалов, из которых состоит поверхность, оказались совершенно точными. Однако почва под поверхностью того места, где находится посадочный модуль, оказалась немного другой, чем ожидалось: она уплотнилась в более прочный материал, называемый дюракраст. И это вызвало множество проблем в попытках закопать тепловой зонд посадочного модуля под поверхностью.

«В орбитальных данных, которые вы используете, чтобы сделать вывод о том, что на самом деле происходит на поверхности, всегда есть двусмысленность», — сказал Голомбек. «В целом, при выборе места посадки мы очень хорошо измерили и охарактеризовали инженерные ограничения — горную породу. изобилие, склоны и т. д. — в основном потому, что изображения HiRISE имеют достаточно высокое разрешение, чтобы можно было увидеть большие камни и измерить склоны. Но мы оказались немного менее точными в понимании того, что я бы назвал геологической обстановкой. То есть, как возникла эта территория, каковы были основные геологические силы, сформировавшие ее. Это было сложнее».

Поскольку изображения, полученные с орбиты, имеют ограниченное разрешение, сложно рассмотреть детали. которые необходимы для наиболее точного определения объектов, представляющих научный интерес, таких как конкретные осадочные породы. горные породы. Наличие изображений с гораздо более высоким разрешением, подобных тем, которые можно сделать с помощью вертолета, было бы неоценимо в выбор посадочных площадок, которые были бы безопасны для транспортных средств и максимально увеличивали шансы на проведение важных научных исследований. Выводы.

Вертолеты могли бы даже нести различные виды инструментов, такие как георадар, который мог бы напрямую сообщать ученым о том, что скрывается под поверхностью Марса.

Связанный:Геолокационный радар для бетона

Охота за жизнью сверху

Однако вертолеты могут использоваться не только для поддержки других миссий. Такая машина потенциально может быть оснащена камерой любого типа, например, радаром, инфракрасным или тепловизионным прибором, который может выявить состав и минералогию марсианского грунта.

Это важно, поскольку эти инструменты могут идентифицировать определенные минералы, такие как глина, которые образуются в присутствии воды. Области с высокой плотностью этих глинистых минералов являются ключевыми объектами для исследования того, существуют ли возможно, когда-то на Марсе была жизнь.

Одними из наиболее интересных объектов для исследования ученых являются откосы или крутые скалы, образовавшиеся в результате эрозии, поскольку они обнажают слои горных пород, образовавшиеся с течением времени. Глядя на эти слои, мы словно оглядываемся назад в марсианскую историю. Однако из-за того, что они крутые и каменистые, марсоходам трудно исследовать эти районы, и им приходится действовать очень осторожно. Например, марсоход «Оппортьюнити» целый год осторожно объезжал край одного из таких откосов. чтобы сфотографировать его, в то время как «такие изображения можно было получить за пару дней с помощью вертолета», — заявил Голомбек. сказал.

Когда его спросили, есть ли какое-то особое место на Марсе, которое он лично хотел бы исследовать на вертолете, Голомбек засмеялся. «Их сотни, тысячи!» он сказал. «Площадь поверхности Марса аналогична открытой поверхности над водой Земли. Подумайте о различиях между Большим Каньоном и Гималаями, между прибрежными зонами и внутренними районами. Есть так много разных мест, которые расскажут вам интересные вещи».

Инструменты в марсианском наборе инструментов

Оба эксперта сошлись во мнении, что будущее освоения Марса — это не вопрос вертолетов или марсоходов, а скорее использование того и другого по мере необходимости для разных задач.

«В душе я инженер, поэтому для меня все это инструменты в наборе инструментов», — сказал Равич. «Для атмосферных тел, таких как Марс, будут веские аргументы в пользу того, что летательный аппарат — это ответ на все, что вы хотите сделать. Если вы хотите спуститься в большую дыру, похожую на каньон, или подняться на гору, это будет лучший ответ. Но всегда есть предел тому, что мы можем нести — вот почему птицы такие легкие, а слоны — нет, поэтому вы всегда сможете заниматься больше наукой и перевозить больше с помощью [наземного] транспортного средства».

Потребность в нескольких типах транспортных средств становится еще более очевидной, когда на сцену выходят люди, планирующие будущие пилотируемые миссии на Марс. «Нам, вероятно, понадобятся и то, и другое», — сказал Равич. «Если вы посмотрите на людей сегодня, мы взаимодействуем с наземными и воздушными транспортными средствами, и я не вижу, чтобы это изменилось».

Рекомендации редакции

• Космологическое путешествие: сложная логистика доставки людей на Марс
• Искусственная атмосфера: как мы построим на Марсе базу с пригодным для дыхания воздухом
• 7 минут ужаса: Разбор безумной сцены приземления на Марс из Perseverance
• Марсианская пыль — большая проблема для космонавтов. Вот как НАСА борется с этим
• Как марсоход НАСА Perseverance будет искать жизнь на Марсе