Zoznámte sa s Ingenuity: Špičkový vrtuľník navrhnutý na lietanie na Marse

Keď NASA tento týždeň vypustí vozítko Perseverance na cestu na Mars, bude mať vedľa neho v Nosný kužeľ rakety Atlas V: Helikoptéra s názvom Ingenuity, ktorá sa má stať vôbec prvým rotorovým lietadlom, ktoré bude lietať na inom planéta. Tento experimentálny miniatúrny vrtuľník by mohol otvoriť úplne nové pole prieskumu Marsu, pretože skúma planétu zo vzduchu.

Ale ak si myslíte, že je ťažké navrhnúť pozemné vozidlo na manévrovanie okolo planéty vzdialenej stovky miliónov kilometrov, predstavte si, že navrhnúť helikoptéru, ktorá môže počas navigácie lietať v takej tenkej atmosfére, že tam sotva je, v mrazivých teplotách autonómne.

Rozprávali sme sa s vedúcim inžinierom a vedúcim vedcom na projekte Ingenuity v laboratóriu Jet Propulsion Lab NASA, aby sme zistili, ako to urobili a ako by mohla vyzerať budúcnosť prieskumu Marsu.

Bezprecedentná výzva

Postaviť helikoptéru, ktorá môže lietať na inej planéte, prináša množstvo výziev, z ktorých najnaliehavejšia je, ako prinútiť niečo, aby zostalo vo vzduchu, keď je atmosféra taká riedka. Atmosféra Marsu má len asi 1 % hustoty atmosféry na Zemi, čo je ekvivalent nadmorskej výšky 100 000 stôp. Aby sme demonštrovali, aké ťažké to sťažuje let, výškový rekord pre let vrtuľníkom na Zemi je niečo cez 40 000 stôp.

Vrtuľníky pracujú tak, že vzduch pohybujú veľmi rýchlo pomocou rotujúcich lopatiek, ktoré tlačia vzduch nadol a vytvárajú vztlak. Ale na Marse ponúka riedky vzduch veľmi malý zdvih, aj keď sa pohybuje lopatkami. Hoci konštruktéri dostali určitú pomoc zo skutočnosti, že gravitácia je na Marse nižšia, len o niečo viac ako tretina gravitačnej sily na Marse. Zem, stále tu bol významný problém vyrobiť plavidlo, ktoré by fungovalo len s tenkou atmosférou s

„Riešením tohto problému je nízka hmotnosť,“ povedal Josh Ravich, vedúci strojárstva pre Ingenuity, pre Digital Trends, „čo bol celkovo najťažšia výzva celej misie, udržať hmotnosť na nízkej úrovni.“ Celý vrtuľník musel vážiť menej ako 4 libry (1,8 kilogramov), čo si vyžadovalo použitie starostlivo vybraných materiálov a hlavné šasi je veľmi malé, má kocku 14 cm (5,5 palca) vo veľkosti.

A problém s hmotnosťou obmedzuje aj ďalšie aspekty plavidla: „Musíme nájsť rovnováhu medzi tým, ako veľa energie, ktorú môžete niesť vo forme batérií na prevádzku vozidla, a aké veľké môžu byť vaše čepele,“ Ravich povedal. Batérie sú potrebné, pretože energia sa zbiera pomocou solárneho panelu na vrchu vozidla, ktorý umožňuje autonómne nabíjanie.

Lopatky helikoptéry musia byť veľké – majú rozpätie tesne pod 4 stopy (1,2 metra), aby poskytli dostatočný zdvih pre let vozidla. Na výrobu čepelí, ktoré boli dostatočne veľké a dostatočne ľahké, tím použil nové materiály vrátane kompozitov podobných uhlíkovým vláknam. Celkovo sú tu štyri lopatky, usporiadané do dvoch rotorov, z ktorých každý sa otáča rýchlosťou až 2 400 otáčok za minútu, čo je oveľa rýchlejšie ako rýchlosť približne 500 otáčok za minútu typická pre lopatky vrtuľníkov na Zemi.

Problém chladu

Ďalším problémom, ktorý si vyžadoval materiálové inovácie, bol problém s povrchovou teplotou, ktorá môže v noci klesnúť až na mínus 100 stupňov Fahrenheita. Keď je taká zima, elektronické systémy nefungujú spoľahlivo a vozidlo musí využívať vzácnu energiu, aby zostalo v teple. Tím Ingenuity preto prišiel s riešením pomocou tenkých vrstiev izolácie okolo jemných elektronických komponentov vozidla.

"Normálne by ste to vyriešili tak, že by ste tam dali veľa hrubej izolácie, ale izolácia je dosť ťažká," povedal Ravich. "Takže sme nakoniec použili časť samotnej atmosféry, rovnako ako kačica alebo hus by mali pod perím vrstvu izolácie, používame plyn z marťanskej atmosféry. Ak použijete dostatok tenkých tepelných prikrývok, môžete získať trochu izolácie."

Posledným komplikovaným problémom spôsobeným chladom je problém, ako tlmiace materiály reagujú na nízke teploty. "Väčšina vrtuľníkov na Zemi má fyzikálne elastické tlmiče, ktoré zdvíhajú váhu prichádzajúcu do stredu vrtuľníka," povedal. Tieto tlmiče absorbujú značné vibrácie spôsobené lopatkami otáčajúcimi sa veľmi vysokou rýchlosťou. "Ale tie nefungujú tak dobre pri teplotách Marsu, takže sme museli urobiť veľa dizajnu, aby to fungovalo ako pevnejší systém."

Autonómny prieskumník

Nie je možné priamo letieť helikoptérou zo Zeme kvôli niekoľkominútovému komunikačnému oneskoreniu medzi tu a Marsom. Namiesto toho bude Ingenuity väčšinou autonómny, pomocou svojich senzorov zisťuje prostredie okolo seba a podľa toho sa bude pohybovať.

Na túto úlohu použije palubné prístroje vrátane navigačnej kamery, laserového výškomeru a akcelerometrového gyroskopického balíka nazývaného inerciálna meracia jednotka (IMU). Pomocou týchto nástrojov môže plavidlo zistiť, kam smeruje a ako ďaleko je od zeme. Dokáže dokonca odhaliť nebezpečenstvo, aby sa vyhol potenciálnym prekážkam v ceste.

To znamená, že technici na zemi dajú plavidlu letový plán a potom ho Ingenuity môže vykonať, ako vysvetlil Ravich: „Spôsob, akým vrtuľník lieta, je taký, zadajte letový plán, v podstate dráhu letu, povedzte „točte lopatky tak dlho, preleťte sem, otočte sa, preleťte sem“... a potom Ingenuity vykoná túto sekvenciu sám seba.”

Vrtuľník musí zostať v dosahu komunikácie s roverom, čo je približne jeden kilometer, a v ideálnom prípade by mal mať priamu viditeľnosť. Okrem toho môže Ingenuity fungovať nezávisle a môže sa nabíjať, vzlietať a pristávať bez akejkoľvek podpory roveru. V pláne je, aby sa helikoptéra popasovala s jednou výzvou, aby sa zistilo, ako je schopný manévrovať okolo planéty.

"Poletíme sériou čoraz zložitejších misií," povedal Ravich. "Nominálne je misia jeden až tri lety, ale môže to byť až päť letov v závislosti od toho, ako veci idú... Každý let bude o niečo zložitejší." Prvý, vstaneme, vznášame sa, pristaneme. Druhý by mohol vstať, otočiť sa, možno sa trochu pohnúť, potom sa vrátiť a pristáť. Ku koncu, ak veci idú dobre, sa môžu rozhodnúť vstať, odletieť tým smerom a nájsť si nové miesto pristátia a ponechať si ho ako ďalšiu základňu operácií."

Dokázanie konceptu

Ingenuity nie je zamýšľaná ako vedecká misia, takže nebude zbierať vedecké údaje – hoci odborníci dúfajú, že budú môcť využiť niektoré údaje, ktoré zhromažďuje. Cieľom misie je ukázať, že je technologicky možné letieť s rotorovým lietadlom na inej planéte a zbierať technické údaje, ktoré pomôžu navrhnúť budúce vrtuľníky na Mars.

To znamená, že existuje určitý stupeň flexibility v tom, ako sa môže plavidlo pohybovať, pretože nie je potrebné, aby manévrovalo na presné miesto na povrchu. Plavidlo pravdepodobne zostane v okruhu niekoľkých stoviek yardov od roveru Perseverance, takže sa môže voči tomu umiestniť. "Do určitej miery si nemyslím, že príliš záleží na tom, ako precízni sme, keď letíme - helikoptéra bude presne vedieť, kde si myslí, že je," povedal Ravich. "Z vyššej úrovne príliš nezáleží na tom, či je to 10 stôp takto alebo 10 stôp tamto, keď pristane - pokiaľ pristane bezpečne."

Pomoc zo vzduchu

Ak bude koncept Ingenuity fungovať v praxi podľa očakávania, vrtuľníky by mohli poskytnúť neoceniteľné pomoc pri budúcich misiách roverov, fotografovanie povrchu a rýchlejší prieskum presné.

Matt Golombek, veterán vedeckých misií na Marse, ktorý sa špecializuje na výber miest pristátia na Marse a ktorý bol hlavným výskumníkom pre prvý návrh pre vrtuľník Mars vysvetlil Digital Trends, ako by vrtuľníky mohli byť prospešné pre budúci prieskum operácií.

Vyplnenie medzery v rozlíšení

Jednou z najcennejších úloh, ktoré by budúce misie vrtuľníkov mohli vykonávať, by bolo fotografovanie s vysokým rozlíšením, aby sa vyplnili takzvané „medzery v rozlíšení“ snímok povrchu Marsu. Vzťahuje sa to na „rozdiel medzi obrázkami s najvyšším rozlíšením, ktoré máme z obežnej dráhy, ktoré sú asi 25 centimetrov (asi 10 palcov) na pixel a sú tzv. HiRISE obrázkyv porovnaní s tým, čo môžete vidieť na zemi v predchádzajúcich misiách roverov, kde je naše rozlíšenie niečo bližšie k 3 centimetrom na pixel,“ povedal Golombek. "To je rádovo."

Aj keď sú snímky povrchu planéty vo vysokom rozlíšení nasnímané pomocou prístroja HiRISE neuveriteľne podrobné vzhľadom na to, že sú zachytené z obežnej dráhy, nie sú dostatočne podrobné na to, aby ukázali štrukturálne črty krajiny, ako sú výbežky, alebo aby identifikovali oblasti vedeckého záujmu, ako sú konkrétne skaly pre rovery návšteva. Takže roveri musia preskúmať oblasť, v ktorej pristávajú, aby našli skaly alebo iné prvky, ktoré sú vedecky zaujímavé na skúmanie.

Vrtuľník by sa mohol použiť ako prieskumník pre misie roverov, pričom by sa zhotovovali obrázky, ktoré sú podrobnejšie ako tie, ktoré je možné z obežnej dráhy. Tieto obrázky by sa mohli použiť na identifikáciu oblastí osobitného vedeckého záujmu, takže tím mohol poslať rover priamo k najcennejším cieľom výskumu.

Rozširovanie oblastí pokrytia roverov

Jedna vec, ktorú si možno neuvedomujete pri misiách roverov na Marse, je to, akú malú oblasť každý rover pokrýva, pretože má obmedzený výkon na prevádzku a každý pohyb, ktorý urobia, treba starostlivo naplánovať. Vytrvalosť, napríklad, prekoná 5 až 20 kilometrov počas svojho hlavného poslania. A najvzdialenejší rover na planéte, Opportunity, prekonal počas svojej 14-ročnej životnosti neuveriteľných 28 míľ (45 kilometrov). Akokoľvek pôsobivé je to pre rover, ktorý skúma vzdialenú planétu, tieto vzdialenosti predstavujú len zlomok celkového povrchu Marsu.

Roveru môže trvať napríklad týždne, kým prejde kilometer. Zatiaľ čo Ingenuity by mohol prejsť až jeden kilometer len za 90 sekúnd, hoci tím neplánuje spustiť helikoptéru pri svojej prvej misii takou vysokou rýchlosťou. Ale budúce helikoptéry by mohli preskúmať oveľa väčšiu oblasť planéty a snímky, ktoré zachytili, by boli neoceniteľné na zasadenie zistení roverov do širšieho kontextu. Takéto snímky by vedcom pomohli pochopiť globálnu geológiu planéty a povedať im, či oblasti, ktoré vozítko študuje, sú reprezentatívne pre väčšie marťanské prostredie.

Vrtuľník by tiež mohol pomôcť rozšíriť oblasť vyšetrovania podstatným skrátením času, ktorý roverom potrebuje na navigáciu po povrchu. V súčasnosti sa trasy jazdy roverom určujú pomocou obrázkov s najvyšším dostupným rozlíšením, ale tieto obrázky nie vždy zobrazujú prekážky alebo nebezpečenstvá, takže vodiči musia jazdiť pomaly opatrne.

"Zvyčajné maximum prejdených roverov za deň je 60 až 100 metrov," povedal Golombek. „Ale ak by ste mali tieto informácie vo vysokom rozlíšení, presne by vám to povedalo, kde je bezpečný disk cesty boli, mohli ste ich ľahko zdvojnásobiť alebo strojnásobiť, a tak sa dostať do cieľa oveľa rýchlejšie.“

Nájdenie miesta pristátia

Predtým, ako môže rover preskúmať, musí pristáť. A procesu výberu miesta pristátia by mohla prospieť aj letecká podpora.

„Výber miesta pristátia je kombináciou charakterizovania toho, ako bezpečný je povrch na pristátie s kozmickou loďou, ktorú ste navrhli a postavili – landeri nemajú radi veľké kamene pod sebou, ktoré by ich mohli napichnúť na kôl alebo prevrátiť, strmé svahy vo všeobecnosti nie sú dobré a oblasti, ktoré sú veľmi nadýchané, do ktorých by ste sa mohli ponoriť, sú zlou voľbou – takže existuje celý rad toho, čo nazývame technické obmedzenia,“ povedal Golombek.

Tieto technické obmedzenia sú tiež komplikované tenkou atmosférou Marsu, pretože to sťažuje vozidlám spomaliť sa pomocou padákov, keď prichádzajú na pristátie. Takže tím musí zvážiť aj nadmorskú výšku miesta pristátia, aby sa zabezpečilo, že tam vozidlo môže bezpečne pristáť.

„A potom máte vedecké ciele, ktoré sú založené na užitočnom zaťažení, ktoré nesiete vedecké ciele misie – veci, ktoré sa chcete naučiť a zistiť o Marse,“ pokračoval na. "A musíte ich všetky zvážiť, aby ste našli miesto [na pristátie], ktoré je bezpečné a zároveň vedecky zaujímavé pre danú misiu."

Ľudia, ktorí vyberajú miesta na pristátie, ako napríklad Golombek, sa spoliehajú najmä na snímky z obežnej dráhy, aby zistili, ktoré miesta budú spĺňať tieto kritériá. A najmenšie odchýlky od toho, čo sa očakáva, môžu spôsobiť problémy, ako napríklad tie, ktoré zažil pristávací modul InSight, ktorý pristál na Marse v roku 2018. Tímu InSight sa podarilo nájsť miesto, ktoré bolo primerane ploché a bez kameňov, a ich predpovede o materiáloch, ktoré tvoria povrch, boli úplne presné. Ukázalo sa však, že pôda pod povrchom miesta, kde sedí lander, bola mierne odlišná, ako sa očakávalo, pretože bola zhutnená do tvrdšieho materiálu nazývaného durakrust. A to pri pokusoch spôsobilo veľa problémov pochovať tepelnú sondu pristávacieho modulu pod povrchom.

"V orbitálnych údajoch, ktoré používate na odvodenie toho, čo je skutočne dole na povrchu, je vždy nejednoznačnosť," povedal Golombek. „Vo všeobecnosti sme pri výbere miesta pristátia boli veľmi dobrí v meraní a charakterizácii technických obmedzení – horniny hojnosť a svahy a tak ďalej – väčšinou preto, že obrázky HiRISE majú dostatočne vysoké rozlíšenie na to, aby videli veľké kamene a zmerali svahy. Ale boli sme trochu menej presní v chápaní toho, čo by som nazval geologické prostredie. To znamená, ako táto oblasť vznikla, aké boli hlavné geologické sily, ktoré ju formovali. To už bolo ťažšie."

Keďže obrázky získané z obežnej dráhy majú obmedzené rozlíšenie, je ťažké vidieť druhy detailov ktoré sú potrebné na čo najpresnejšiu identifikáciu cieľov vedeckého záujmu, ako sú konkrétne sedimentárne skaly. Mať obrázky s oveľa vyšším rozlíšením, ako sú tie, ktoré by mohol zachytiť vrtuľník, by bolo neoceniteľné výber miest pristátia, ktoré boli bezpečné pre vozidlá a zároveň maximalizovali šance na to, aby sa stali dôležitými vedeckými zistenia.

Vrtuľníky by dokonca mohli niesť rôzne druhy nástrojov, ako je radar prenikajúci do zeme, ktorý by vedcom mohol priamo povedať o tom, čo sa skrýva pod povrchom Marsu.

Súvisiace:Zem-prenikajúci radar pre betón

Lov na život zhora

Vrtuľníky by sa však mohli použiť aj na viac ako len na podporu iných misií. Takýto stroj by mohol byť potenciálne vybavený akýmkoľvek typom kamery, ako je radar, infračervené alebo termovízne prístroje, ktoré dokážu odhaliť zloženie a mineralógiu marťanskej pôdy.

Je to dôležité, pretože tieto nástroje dokážu identifikovať určité minerály, ako je íl, ktoré sa tvoria, keď je prítomná voda. Oblasti s vysokou hustotou týchto ílových minerálov sú kľúčovými cieľmi pre výskum, či existuje možno kedysi existoval život na Marse.

Niektoré z najzaujímavejších cieľov pre vedcov na výskum sú zrázy alebo strmé útesy vytvorené eróziou, pretože odhaľujú vrstvy skál, ktoré sa uložili v priebehu času. Pohľad na tieto vrstvy je ako pohľad späť do marťanskej histórie. Keďže sú však strmé a skalnaté, tieto oblasti sú pre roverov ťažko preskúmateľné a musia postupovať veľmi opatrne. Napríklad rover Opportunity strávil celý rok opatrnou jazdou okolo okraja jedného takého zrázu. vyfotiť si to, zatiaľ čo „takéto obrázky by sa dali získať helikoptérou za pár dní,“ Golombek povedal.

Keď sa Golombek spýtal, či je na Marse konkrétne miesto, ktoré by chcel osobne preskúmať pomocou helikoptér, zasmial sa. "Sú stovky - tisíce!" povedal. „Povrch Marsu je podobný odkrytému povrchu Zeme nad vodou. Zamyslite sa nad rozdielmi medzi Grand Canyonom a Himalájami, medzi pobrežnými zónami a vnútrozemím. Existuje toľko rôznych miest, ktoré vám povedia zaujímavé veci.“

Nástroje v marťanskej súprave nástrojov

Obaja experti sa zhodli na tom, že budúcnosť prieskumu Marsu nie je otázkou vrtuľníkov alebo roverov, ale skôr použitia oboch podľa potreby na rôzne úlohy.

"Som srdcom inžinier, takže pre mňa sú to všetko nástroje v súprave nástrojov," povedal Ravich. „Pre atmosferické telesá, ako je Mars, bude silný prípad, že letecký dopravný prostriedok je odpoveďou na čokoľvek, čo chcete robiť. Ak chcete ísť dolu do veľkej diery, ako je kaňon, alebo ak chcete vyliezť na horu, bude to najlepšia odpoveď. Ale vždy existuje limit toho, čo môžeme prepraviť – preto sú vtáky také ľahké a slony nie – takže s [pozemným] vozidlom budete vždy môcť robiť viac vedy a prepravovať viac.“

Potreba viacerých typov vozidiel je ešte jasnejšia, keď do toho vstúpia ľudia, pri plánovaní budúcich pilotovaných misií na Mars. "Pravdepodobne budeme tiež potrebovať oboje," povedal Ravich. "Ak sa dnes pozriete na ľudí, komunikujeme s pozemnými a vzdušnými dopravnými prostriedkami a nevidím, že by sa to zmenilo."

Odporúčania redaktorov

• Kozmologické dochádzanie: Zložitá logistika umiestňovania ľudí na Mars
• Umelé atmosféry: Ako na Marse postavíme základňu s dýchateľným vzduchom
• 7 minút teroru: Zlomenie šialenej sekvencie Perseverance pri pristávaní na Marse
• Marťanský prach je pre astronautov veľkým problémom. Tu je návod, ako s tým NASA bojuje
• Ako bude NASA Perseverance Rover hľadať život na Marse