Spoznajte Ingenuity: visokotehnološki helikopter, zasnovan za letenje na Marsu

Ko bo NASA ta teden na svojem potovanju na Mars izstrelila rover Perseverance, bo imel poleg njega spremljevalca v Nosni stožec rakete Atlas V: Helikopter z imenom Ingenuity, ki naj bi postal prvi rotorsko plovilo, ki bo kdaj koli letelo na drugem planet. Ta eksperimentalni miniaturni helikopter bi lahko odprl povsem novo področje raziskovanja Marsa, saj planet opazuje iz zraka.

Toda če mislite, da je težko oblikovati kopensko vozilo za manevriranje okoli planeta, oddaljenega stotine milijonov milj, si predstavljajte, da poskusite oblikovati helikopter, ki lahko med navigacijo leti v tako redki atmosferi, da je komaj tam, pri nizkih temperaturah avtonomno.

Pogovarjali smo se z vodilnim inženirjem in višjim znanstvenikom pri projektu Ingenuity v Nasinem laboratoriju za reaktivni pogon, da bi izvedeli, kako jim je to uspelo in kakšna bi lahko bila prihodnost raziskovanja Marsa.

Izziv brez primere

Izdelava helikopterja, ki lahko leti na drugem planetu, je povezana s številnimi izzivi, od katerih je najbolj pereč ta, kako doseči, da nekaj ostane v zraku, ko je atmosfera tako redka. Marsova atmosfera je le približno 1 % gostote atmosfere na Zemlji, kar je enako, kot da bi bili na nadmorski višini 100.000 čevljev. Za dokaz, kako težko je zaradi tega letenje, je višinski rekord za letenje helikopterja na Zemlji nekaj več kot 40.000 čevljev.

Helikopterji delujejo tako, da premikajo zrak zelo hitro z uporabo vrtljivih lopatic, ki potiskajo zrak navzdol in ustvarjajo vzgon. Toda na Marsu redek zrak ponuja zelo malo vzgona, tudi če ga premikamo z rezili. Čeprav je načrtovalcem nekaj pomagalo dejstvo, da je gravitacija na Marsu nižja, le nekaj več kot tretjina sile gravitacije na Na Zemlji je še vedno obstajal pomemben problem izdelave plovila, ki bi lahko delovalo samo s tanko atmosfero z.

»Rešitev tega problema je nizka masa,« je za Digital Trends povedal Josh Ravich, vodja strojništva za Ingenuity, »ki je bila na splošno najtežji izziv celotne misije, ohraniti nizko maso.« Celoten helikopter je moral tehtati manj kot 4 funte (1.8 kilogramov), kar je zahtevalo uporabo skrbno izbranih materialov, glavno ohišje pa je zelo majhno, saj je kocka velikosti 14 cm (5,5 palca) v velikosti.

In težava s težo je omejila tudi druge vidike plovila: »Uravnotežiti moramo med tem, kako koliko energije lahko nosite v obliki baterij za pogon vozila in kako velika so lahko vaša rezila,« Ravich rekel. Baterije so potrebne, saj se energija zbira s pomočjo solarne plošče na vrhu vozila, ki omogoča avtonomno polnjenje.

Lopatice helikopterja morajo biti velike - njihov razpon je nekaj manj kot 4 čevlje (1,2 metra) - da zagotovijo dovolj vzgona za letenje vozila. Za izdelavo rezil, ki so dovolj velika in dovolj lahka, je ekipa uporabila nove materiale, vključno s kompoziti, podobnimi ogljikovim vlaknom. Skupno so štiri lopatice, razporejene v dva rotorja, od katerih se vsaka vrti do 2400 vrtljajev na minuto, kar je veliko hitreje od hitrosti približno 500 vrtljajev na minuto, značilne za lopatice helikopterja na Zemlji.

Problem prehlada

Drugo vprašanje, ki je zahtevalo materialne inovacije, je bil problem površinske temperature, ki lahko ponoči pade tudi do minus 100 stopinj Fahrenheita. Ko je tako mrzlo, elektronski sistemi ne delujejo zanesljivo in vozilo mora porabiti dragoceno energijo, da ostane toplo. Tako je ekipa Ingenuity prišla do rešitve z uporabo tankih plasti izolacije okoli občutljivih elektronskih komponent vozila.

"Običajno bi to rešili tako, da bi tja dali veliko debele izolacije, vendar je izolacija precej težka," je dejal Ravich. »Tako smo na koncu uporabili nekaj same atmosfere, tako kot bi raca ali gos imela plast izolacije pod perjem, mi uporabljamo plin iz Marsove atmosfere. Če uporabljate dovolj tanke toplotne odeje, lahko dobite malo izolacije."

Še zadnje zapleteno vprašanje, ki ga povzroča mraz, je problem, kako se dušilni materiali odzivajo na nizke temperature. "Večina helikopterjev na Zemlji ima fizične elastične blažilnike, ki dvigujejo težo, ki prihaja v osrednje pesto helikopterja," je dejal. Ti blažilniki absorbirajo znatne vibracije, ki jih povzročajo lopatice, ki se vrtijo pri zelo visokih hitrostih. "Toda ti ne delujejo tako dobro pri temperaturah Marsa, zato smo morali narediti veliko načrtovanja, da bi to delovalo kot bolj tog sistem."

Avtonomni raziskovalec

S helikopterjem ni mogoče neposredno leteti z Zemlje zaradi večminutnega komunikacijskega zaostanka med tu in Marsom. Namesto tega bo Ingenuity večinoma avtonomen, uporabljal bo svoje senzorje za zaznavanje okolja okoli sebe in se ustrezno premikal.

Za to nalogo bo uporabljal vgrajene instrumente, vključno z navigacijsko kamero, laserskim višinomerom in paketom žiroskopa merilnika pospeška, imenovanega inercialna merilna enota (IMU). Z uporabo teh orodij lahko plovilo ugotovi, kam je namenjeno in kako daleč je od tal. Lahko celo zazna nevarnost, da se izogne ​​morebitnim oviram na svoji poti.

To pomeni, da tehniki na tleh dajo plovilu načrt leta, nato pa ga lahko Ingenuity izvede, kot je pojasnil Ravich: »Helikopter letimo tako, da mi vnesite načrt leta, v bistvu pot leta, z besedami "vrtite lopatice toliko časa, letite do sem, obrnite se, letite sem"... in potem Ingenuity naredi to zaporedje tako, da sama.”

Helikopter mora ostati v dosegu komunikacije z roverjem, ki je približno en kilometer, in v idealnem primeru bi moral imeti neposredno vidno polje. Toda poleg tega lahko Ingenuity deluje neodvisno in se lahko polni, vzleta in pristaja brez kakršne koli podpore roverja. Načrt je, da se bo helikopter lotil enega izziva naenkrat, da bi videli, kako sposoben je manevrirati po planetu.

"Leteli bomo na vrsti vse bolj zapletenih misij," je dejal Ravich. »Nominalno je misija od enega do treh letov, lahko pa tudi do pet letov, odvisno od tega, kako se stvari odvijajo... Vsak let bo malo bolj zapleten. Prvi, dvignili se bomo, lebdeli naokoli, pristali. Drugi bi se lahko dvignil, obrnil, morda malo premaknil, nato pa se vrnil in pristal. Proti koncu, če bo šlo dobro, se bodo morda odločili, da se dvignejo, odletijo na to pot in najdejo novo pristajalno mesto ter to obdržijo kot naslednjo bazo delovanja.«

Dokazovanje koncepta

Ingenuity ni mišljen kot znanstvena misija, zato ne bo zbiral znanstvenih podatkov - čeprav strokovnjaki upajo, da bodo lahko uporabili nekatere podatke, ki jih zbira. Cilj misije je pokazati, da je tehnološko izvedljivo leteti z rotorjem na drugem planetu, in zbrati inženirske podatke za pomoč pri oblikovanju prihodnjih helikopterjev za Mars.

To pomeni, da obstaja določena stopnja prožnosti pri tem, kako se lahko plovilo premika, saj mu ni treba manevrirati na točno določeno lokacijo na površini. Plovilo bo verjetno ostalo nekaj sto jardov od roverja Perseverance, tako da se bo lahko postavilo glede na to. "Do neke mere mislim, da ni preveč pomembno, kako natančni smo, ko letimo - helikopter bo natančno vedel, kje misli, da je," je dejal Ravich. "Z višje ravni ni preveč pomembno, ali je 10 čevljev v tej smeri ali 10 čevljev v tej smeri, ko pristane - dokler pristane varno."

Pomoč iz zraka

Če bo koncept Ingenuity deloval v praksi, kot je pričakovano, bi lahko helikopterji zagotovili neprecenljivo vrednost pomoč prihodnjim misijam roverja, fotografiranje površja in hitrejše raziskovanje ter več natančno.

Matt Golombek, veteran znanstvenih misij na Mars, ki je specializiran za izbiro mest pristanka na Marsu in ki je bil glavni raziskovalec za prvi predlog za helikopter Mars je za Digital Trends pojasnil, kako bi lahko helikopterji koristili prihodnjemu raziskovanju operacije.

Zapolnjevanje vrzeli v ločljivosti

Ena najdragocenejših nalog, ki bi jih lahko opravile prihodnje helikopterske misije, bi bilo fotografiranje visoke ločljivosti, da bi zapolnili tako imenovano "vrzel v ločljivosti" slik površine Marsa. To se nanaša na »razliko med slikami najvišje ločljivosti, ki jih imamo iz orbite, ki so približno 25 centimetrov (približno 10 palcev) na slikovno piko in se imenujejo Slike HiRISE, v primerjavi s tem, kar lahko vidite na tleh v prejšnjih misijah roverja, kjer je naša ločljivost nekaj bližje 3 centimetrom na slikovno piko,« je dejal Golombek. "To je približno red velikosti."

Čeprav so slike površja planeta v visoki ločljivosti, posnete z instrumentom HiRISE, neverjetno podrobne, če upoštevamo, da so posnete iz orbite, niso dovolj podrobni, da bi prikazali strukturne značilnosti zemlje, kot so izdanki, ali da bi opredelili področja znanstvenega interesa, kot so posebne kamnine, ki bi jih roverji obisk. Zato morajo roverji raziskati območje, na katerem pristanejo, da bi našli kamne ali druge značilnosti, ki so znanstveno zanimive za raziskovanje.

Helikopter bi lahko uporabili kot izvidnika za misije roverja, pri čemer bi posneli slike, ki so podrobnejše od tistih, ki so možne iz orbite. Te slike bi lahko uporabili pri prepoznavanju področij posebnega znanstvenega interesa, tako da bi ekipa lahko poslala rover prav do najbolj dragocenih ciljev za raziskave.

Razširitev območij pokritosti roverjev

Ena stvar, ki se je morda ne zavedate pri misijah roverjev na Mars, je, kako majhno območje pokriva vsak rover, saj imajo omejeno moč za delovanje in vsak njihov premik je treba skrbno načrtovati. Perseverance bo na primer med svojo glavno nalogo prevozil med 3 in 12 miljami (5 do 20 kilometrov). In najbolj oddaljeni rover na planetu, Opportunity, je v svoji 14-letni življenjski dobi premagal neverjetnih 28 milj (45 kilometrov). Čeprav je to impresivno za roverja, ki raziskuje oddaljeni planet, te razdalje predstavljajo le delček celotne površine Marsa.

Rover lahko na primer potrebuje tedne, da prepotuje kilometer. Medtem ko bi lahko Ingenuity prepotoval do enega kilometra v samo 90 sekundah, čeprav ekipa na svoji prvi misiji ne namerava poganjati helikopterja s tako velikimi hitrostmi. Toda prihodnji helikopterji bi lahko raziskali veliko večje območje planeta in slike, ki bi jih posneli, bi bile neprecenljive za postavitev ugotovitev roverja v širši kontekst. Takšne slike bi znanstvenikom pomagale razumeti globalno geologijo planeta in jim povedale, ali so območja, ki jih preučuje rover, reprezentativna za širše Marsovo okolje.

Helikopter bi lahko pripomogel tudi k razširitvi področja raziskovanja, tako da bi bistveno zmanjšal čas, ki ga roverji potrebujejo za navigacijo po površini. Trenutno so vozne poti roverja določene z uporabo slik najvišje ločljivosti, ki so na voljo, vendar te slike ne prikazujejo vedno ovir ali nevarnosti, tako da morajo vozniki voziti počasi in previdno.

"Običajno je največja količina vožnje v enem dnevu od 60 do 100 metrov," je dejal Golombek. »Toda če bi imeli te informacije visoke ločljivosti, bi vam to natančno povedalo, kje je varna vožnja Poti bi lahko zlahka podvojili ali potrojili in tako veliko hitreje prišli na cilj.«

Iskanje mesta za pristanek

Preden pa lahko rover raziskuje, mora pristati. Postopek izbire pristajališča bi lahko imel koristi tudi od podpore iz zraka.

»Izbira mesta pristanka je kombinacija določanja, kako varna je površina za pristanek z vesoljskim plovilom, ki ste ga zasnovali in zgradili – pristajalci ne marajo velikih kamnov pod seboj, ki bi jih lahko zabodli ali prevrnili, strma pobočja na splošno niso dobra stvar in področja, ki so zelo puhasta, v katera se lahko pogreznete, so slaba izbira – zato obstaja cela zbirka tega, čemur pravimo inženirske omejitve,« je rekel Golombek.

Te inženirske omejitve otežuje tudi Marsova tanka atmosfera, saj se zaradi tega vozila težje upočasnijo s padali, ko pridejo za pristanek. Zato mora ekipa upoštevati tudi nadmorsko višino pristajališča, da zagotovi, da lahko vozilo tam varno pristane.

»In potem imate znanstvene cilje, ki temeljijo na tovoru, ki ga nosite, in na znanstveni cilji misije – stvari, ki se jih želite naučiti in izvedeti o Marsu,« je rekel na. "In vse to morate pretehtati skupaj, da boste našli kraj [za pristanek], ki je varen in tudi znanstveno zanimiv za to misijo."

Ljudje, ki izbirajo mesta pristanka, kot je Golombek, se v veliki meri zanašajo na slike, posnete iz orbite, da ugotovijo, katera mesta bodo ustrezala tem kriterijem. In že najmanjša odstopanja od pričakovanega lahko povzročijo težave, kot so tiste, ki jih ima pristajalna naprava InSight, ki je leta 2018 pristala na Marsu. Ekipi InSight je uspelo najti lokacijo, ki je bila primerno ravna in brez kamenja, njihove napovedi o materialih, ki sestavljajo površje, pa so bile povsem točne. Vendar se je izkazalo, da je zemlja pod površjem, kjer sedi pristajalna naprava, nekoliko drugačna od pričakovane, saj je bila stisnjena v trši material, imenovan duracrust. In to je povzročilo številne težave pri poskusu zakopajte toplotno sondo pristajalne naprave pod površjem.

"V orbitalnih podatkih, ki jih uporabite za sklepanje, kaj je v resnici na površju, je vedno dvoumnost," je dejal Golombek. »Na splošno smo bili pri izbiri mesta pristanka zelo dobri pri merjenju in karakteriziranju inženirskih omejitev – skala številčnost in pobočja itd. – predvsem zato, ker so slike HiRISE dovolj visoke ločljivosti, da lahko vidite velike kamne in merite pobočjih. Vendar smo bili malo manj natančni pri razumevanju tega, čemur bi rekel geološko okolje. To je, kako je to območje nastalo, katere so bile glavne geološke sile, ki so ga oblikovale. To je bilo težje."

Ker imajo slike, pridobljene iz orbite, omejeno ločljivost, je težko videti vrste podrobnosti ki so potrebni za najnatančnejšo identifikacijo ciljev znanstvenega pomena, kot je določen sediment skale. Imeti slike z veliko višjo ločljivostjo, kot so tiste, ki bi jih lahko posnel helikopter, bi bilo neprecenljivo izbiranje mest za pristanek, ki so bila varna za vozila in so povečala možnosti za pomembne znanstvene dosežke ugotovitve.

Helikopterji bi lahko celo nosili različne vrste instrumentov, kot je radar, ki prodira do tal, ki bi lahko znanstvenikom neposredno povedal, kaj se skriva pod površjem Marsa.

Sorodno:Radar, ki prodira do tal, za beton

Lov na življenje od zgoraj

Helikopterje pa bi lahko uporabili za več kot le podporo drugim misijam. Takšen stroj bi lahko bil opremljen s katero koli vrsto kamere, kot so radarji, infrardeči ali termovizijski instrumenti, ki lahko razkrijejo sestavo in mineralogijo Marsovega tal.

To je pomembno, saj lahko ta orodja identificirajo določene minerale, kot je glina, ki nastanejo, ko je prisotna voda. Območja z visoko gostoto teh mineralov gline so ključne tarče za raziskave, ali obstajajo morda nekoč bilo življenje na Marsu.

Nekateri najzanimivejši cilji za raziskovanje znanstvenikov so pobočja ali strme pečine, ki nastanejo zaradi erozije, saj razkrivajo plasti kamnin, ki so se odložile skozi čas. Pogled na te plasti je kot pogled nazaj v zgodovino Marsa. Ker pa so strma in skalnata, je ta območja roverjem težko raziskati in morajo postopati zelo previdno. Rover Opportunity je na primer celo leto skrbno vozil po robu ene takšne strmine slikati, medtem ko bi "takšne slike lahko dobili v nekaj dneh s helikopterjem", Golombek rekel.

Ko so ga vprašali, ali obstaja kakšna lokacija na Marsu, ki bi jo on osebno rad raziskoval s helikopterji, se je Golombek zasmejal. "Na stotine - na tisoče jih je!" rekel je. »Površina Marsa je podobna izpostavljeni površini nad vodo Zemlje. Pomislite na razlike med Grand Canyonom in Himalajo, med obalnimi conami in notranjostjo. Obstaja toliko različnih krajev, ki bi vam povedali zanimive stvari.«

Orodja v orodju Martian

Oba strokovnjaka sta se strinjala, da prihodnost raziskovanja Marsa ni vprašanje helikopterjev ali roverjev, temveč uporaba obeh, kot je potrebno za različne naloge.

»Po srcu sem inženir, zato so zame vsa orodja v škatli z orodjem,« je dejal Ravich. »Za atmosferska telesa, kot je Mars, bo obstajal močan argument, da je zračno vozilo rešitev za vse, kar želite početi. Če se želite spustiti v veliko luknjo, kot je kanjon, ali če se želite povzpeti na goro, bo to najboljši odgovor. Toda vedno obstaja omejitev glede tega, kaj lahko prevažamo – zato so ptice tako lahke, sloni pa ne – tako da boste vedno lahko naredili več znanosti in prenesli več s [zemeljskim] vozilom.«

Potreba po več vrstah vozil postane še bolj jasna, ko na podobo stopijo ljudje, ko načrtujejo prihodnje misije s posadko na Mars. "Verjetno bomo potrebovali tudi oboje," je dejal Ravich. "Če pogledate ljudi danes, komuniciramo z zemeljskimi vozili in zračnimi vozili, in ne vidim, da bi se to spremenilo."

Priporočila urednikov

• Kozmološko potovanje na delo: zapletena logistika pošiljanja ljudi na Mars
• Umetna atmosfera: Kako bomo na Marsu zgradili bazo z zrakom, ki ga je mogoče dihati
• 7 minut groze: razčlenitev Perseveranceovega norega zaporedja pristankov na Marsu
• Prah z Marsa je velika težava za astronavte. Evo, kako se NASA bori proti temu
• Kako bo Nasin rover Perseverance iskal življenje na Marsu