Упознајте генијалност: високотехнолошки хеликоптер дизајниран да лети на Марсу

Када НАСА ове недеље лансира ровер Персеверанце на свом путовању на Марс, имаће пратиоца ушушканог поред њега у Носни конус ракете Атлас В: Хеликоптер под називом Ингенуити, који би требало да постане први ротор који је икада летео на другом Планета. Овај експериментални минијатурни хеликоптер могао би да отвори потпуно ново поље истраживања Марса док посматра планету из ваздуха.

Али ако мислите да је тешко дизајнирати земаљско возило за маневрисање око планете удаљене стотинама милиона миља, замислите да покушате да дизајнира хеликоптер који може да лети у атмосфери која је тако танка да је једва ту, на ниским температурама, током навигације аутономно.

Разговарали смо са водећим инжењером и старијим научником на пројекту Ингенуити у НАСА-иној лабораторији за млазни погон да бисмо сазнали како су то урадили и како би могла изгледати будућност истраживања Марса.

Изазов без преседана

Изградња хеликоптера који може да лети на другој планети носи бројне изазове, од којих је најхитнији како да нешто остане у ваздуху када је атмосфера тако танка. Марсова атмосфера је само око 1% густине атмосфере на Земљи, што је еквивалентно да се налази на висини од 100.000 стопа. Да бисмо показали колико то отежава лет, рекорд висине за лет хеликоптера на Земљи је нешто више од 40.000 стопа.

Хеликоптери раде тако што померају ваздух веома брзо помоћу ротирајућих лопатица, које потискују ваздух надоле и стварају подизање. Али на Марсу, разређен ваздух нуди врло мало подизања, чак и када се помера лопатицама. Иако су дизајнери добили одређену помоћ због чињенице да је гравитација на Марсу нижа, на нешто више од трећине силе гравитације на Марсу Земљо, и даље је постојао значајан проблем да се направи летјелица која би могла да се издржава само са танком атмосфером за рад са.

„Решење за тај проблем је мала маса“, рекао је за Дигитал Трендс Џош Равич, руководилац машинског инжењерства за Ингенуити, „што је било у целини најтежи изазов целе мисије, да се маса задржи на ниском нивоу." Цео хеликоптер је требало да буде тежак испод 4 фунте (1.8 килограма) што је захтевало коришћење пажљиво одабраних материјала, а главна шасија је веома мала и представља коцку од 14 цм (5,5 инча) величина.

А проблем тежине је такође ограничио друге аспекте заната: „Морамо да балансирамо између тога како колико енергије можете да понесете у облику батерија за покретање возила и колико велика могу бити ваша сечива“, Равич рекао. Батерије су потребне јер се енергија прикупља помоћу соларног панела на врху возила који му омогућава да се пуни аутономно.

Лопатице хеликоптера морају бити велике - имају распон од нешто мање од 4 стопе (1,2 метра) - да би обезбедиле довољно подизања за летење возила. Да би направили оштрице које су биле довољно велике и довољно лагане, тим је користио нове материјале, укључујући композите сличне карбонским влакнима. Постоје укупно четири лопатице, распоређене у два ротора, од којих се сваки окреће до 2.400 о/мин, много брже од брзине од приближно 500 о/мин типичне за лопатице хеликоптера на Земљи.

Проблем хладноће

Још једно питање за које су биле потребне материјалне иновације био је проблем површинске температуре, која ноћу може пасти и до минус 100 степени Фаренхајта. Када је тако хладно, електронски системи не раде поуздано и возило треба да користи драгоцену снагу да би остало топло. Тако је Ингенуити тим дошао до решења користећи танке слојеве изолације око деликатних електронских компоненти возила.

„Обично бисте ово решили стављањем доста дебеле изолације, међутим, изолација је прилично тешка“, рекао је Равицх. „Тако да смо на крају користили део саме атмосфере, баш као што би патка или гуска имале слој изолације испод перја, ми користимо гас из атмосфере Марса. Ако користите довољно танких термо ћебади, можете добити мало изолације.

Још једно компликовано питање узроковано хладноћом је проблем како материјали за влажење реагују на ниске температуре. „Већина хеликоптера на Земљи има физичке еластичне амортизере који подижу тежину улазећи у средишњу главчину хеликоптера“, рекао је он. Ови пригушивачи апсорбују значајне вибрације изазване ротацијом лопатица веома великом брзином. „Али они не функционишу тако добро на температурама Марса, тако да смо морали да урадимо много дизајна да би то функционисало као чвршћи систем.

Аутономни истраживач

Није могуће директно летети хеликоптером са Земље због кашњења у комуникацији од неколико минута између овде и Марса. Уместо тога, Ингенуити ће бити углавном аутономан, користећи своје сензоре за откривање околине око себе и кретање у складу са тим.

За овај задатак ће користити уграђене инструменте укључујући навигациону камеру, ласерски висиномер и пакет жироскопа акцелерометра који се назива инерцијална мерна јединица (ИМУ). Користећи ове алате, летелица може да одреди куда се креће и колико је удаљена од земље. Може чак и да открије неке опасности како би избегао потенцијалне препреке на свом путу.

То значи да техничари на земљи дају летелици план лета, а онда Ингенуити може да га изврши, како је Равич објаснио: „Начин на који се хеликоптер лети је да ми унесите план лета, у суштини путању лета, говорећи „вртите сечива оволико дуго, прелетите овамо, окрените се, прелетите овамо“… а затим Ингенуити уради ту секвенцу тако што себе“.

Хеликоптер треба да остане у домету комуникације са ровером, који је отприлике један километар, и идеално би требало да има директну видљивост. Али поред тога, Ингенуити може да ради независно и може да пуни, полети и слеће без икакве подршке ровера. План је да се хеликоптер ухвати у коштац са једним изазовом у исто време, да види колико је способан за маневрисање око планете.

„Идемо у низ све сложенијих мисија“, рекао је Равич. „Номинално, мисија је један до три лета, али може бити чак пет летова у зависности од тога како ствари иду... Сваки лет ће бити мало сложенији. Први, устаћемо, лебдети около, слетети. Други би могао да се подигне, окрене се, можда се мало помери, а затим се врати и слети. Пред крај, ако ствари иду добро, могли би да одлуче да се дигну, одлете тим путем и пронађу ново место за слетање и задрже га као следећу базу операција.

Доказивање концепта

Домишљатост није замишљена као научна мисија, тако да неће прикупљати научне податке - иако се стручњаци надају да ће моћи да искористе неке од података које прикупља. Циљ мисије је да се покаже да је технолошки изводљиво летети роторкрафтом на другој планети и прикупити инжењерске податке за помоћ у дизајнирању будућих хеликоптера на Марс.

То значи да постоји одређени степен флексибилности у начину на који летелица може да се креће, јер нема потребе да маневрира на тачну локацију на површини. Летелица ће вероватно остати на неколико стотина метара од ровера Персеверанце, тако да може да се позиционира у односу на то. „У извесној мери, мислим да није превише важно колико смо прецизни док летимо – хеликоптер ће тачно знати где мисли да се налази“, рекао је Равич. „Са вишег нивоа, није превише важно да ли је 10 стопа овамо или 10 стопа онуда када слети – све док безбедно слети.

Помоћ из ваздуха

Ако концепт Ингенуити функционише у пракси како је предвиђено, хеликоптери би могли да буду од непроцењиве вредности помоћ будућим мисијама ровера, снимање површине и убрзавање истраживања тачан.

Матт Голомбек, ветеран научних мисија на Марс који је специјализован за одабир места за слетање на Марс и који је био главни истраживач за први предлог за хеликоптер Марс, објаснио је за Дигитал Трендс како хеликоптери могу бити корисни за будућа истраживања операције.

Попуњавање празнине у резолуцији

Један од највреднијих задатака које би будуће хеликоптерске мисије могле да изврше било би снимање фотографија високе резолуције како би се попунило оно што је познато као „празник у резолуцији“ слика површине Марса. Ово се односи на „разлику између слика највеће резолуције коју имамо из орбите, а које су око 25 центиметара (око 10 инча) по пикселу и називају се ХиРИСЕ слике, у односу на оно што можете да видите на земљи у претходним мисијама ровера, где је наша резолуција нешто ближе 3 центиметра по пикселу“, рекао је Голомбек. "То је отприлике ред величине."

Иако су слике површине планете високе дефиниције снимљене инструментом ХиРИСЕ невероватно детаљне с обзиром на то да су снимљене из орбите, они нису довољно детаљне да покажу структурне карактеристике земље као што су изданци, или да идентификују области од научног интереса као што су одређене стене за ровере. посета. Дакле, ровери морају да истраже подручје у које слете да би пронашли стене или друге карактеристике које су научно интересантне за истраживање.

Хеликоптер би се могао користити као извиђач за мисије ровера, правећи слике које су детаљније од оних могућих из орбите. Ове слике би се могле користити за идентификацију области од посебног научног интереса, тако да би тим могао да пошаље ровер право до највреднијих циљева за истраживање.

Проширивање подручја покривености ровера

Једна ствар коју можда нисте схватили у вези са мисијама ровера на Марс је колико мали простор покрива сваки ровер, јер имају ограничену моћ за рад, а сваки њихов потез треба пажљиво испланирати. Упорност ће, на пример, прећи између 3 и 12 миља (5 и 20 километара) преко своје главне мисије. А најдаљи ровер планете, Оппортунити, прешао је невероватних 28 миља (45 километара) током свог 14-годишњег животног века. Колико год ово било импресивно за ровер који истражује далеку планету, ове удаљености представљају само делић укупне површине Марса.

Роверу би могле бити потребне недеље да пређе километар, на пример. Док би Ингенуити могао прећи до једног километра за само 90 секунди, иако тим не планира да покрене хеликоптер тако великом брзином у својој првој мисији. Али будући хеликоптери би могли да истраже много веће подручје планете, а слике које су снимили биле би од непроцењиве вредности за стављање налаза ровера у шири контекст. Такве слике би помогле научницима да разумеју глобалну геологију планете и да им кажу да ли су области које је ровер проучавао репрезентативне за веће марсовско окружење.

Хеликоптер би такође могао помоћи да се прошири област истраживања тако што ће значајно смањити време потребно роверима да се крећу по површини. Тренутно се руте вожње ровера одређују коришћењем доступних слика у највишој резолуцији, али ове слике не показују увек препреке или опасности тако да возачи морају да се крећу полако и пажљиво.

„Уобичајено, максимална брзина ровера у једном дану је 60 до 100 метара“, рекао је Голомбек. „Али да имате ове информације високе резолуције, то би вам тачно говорило где је безбедна вожња путеви су били, могли сте лако удвостручити или утростручити и тако много брже стићи до одредишта.”

Проналажење места за слетање

Међутим, пре него што ровер може да истражује, мора да слети. А процес одабира места за слетање такође би могао имати користи од подршке из ваздуха.

„Избор места за слетање је комбинација карактерисања колико је безбедна површина за слетање са свемирским бродом који сте дизајнирали и изградили – лендери не воле да имају велике стене испод себе које би их могле набити или преврнути, стрме падине генерално нису добра ствар, и области које су веома пахуљасте у које бисте могли да утонете су лош избор - тако да постоји читав низ онога што називамо инжењерским ограничењима“, рекао је Голомбек.

Ова инжењерска ограничења су такође компликована због танке Марсове атмосфере, јер то отежава возилима да успоре помоћу падобрана док долазе за слетање. Дакле, тим треба да размотри и висину места за слетање, како би се осигурало да возило тамо може безбедно да слети.

„А онда имате научне циљеве, који се заснивају на терету који носите и на научни циљеви мисије — ствари које желите да научите и сазнате о Марсу“, рекао је на. „И морате све то измерити заједно да бисте дошли до места [за слетање] које је и безбедно и научно занимљиво за ту конкретну мисију.

Људи који бирају локације за слетање, попут Голомбека, у великој мери се ослањају на слике снимљене из орбите да би одгонетнуле које локације ће испунити ове критеријуме. И најмања одступања од онога што се очекује могу изазвати проблеме, попут оних које је искусио лендер ИнСигхт који је слетео на Марс 2018. ИнСигхт тим је успео да пронађе локацију која је била одговарајуће равна и без камења, а њихова предвиђања о материјалима који чине површину била су потпуно тачна. Међутим, испоставило се да је тло испод површине где се лендер налази мало другачије од очекиваног, јер је сабијено у чвршћи материјал који се зове дурацруст. И ово је изазвало многе проблеме у покушају закопати топлотну сонду лендера испод површине.

„Увек постоји нејасноћа у орбиталним подацима које користите да бисте закључили шта је заиста доле на површини“, рекао је Голомбек. „Уопштено говорећи, за избор места за слетање били смо веома добри у мерењу и карактеризацији инжењерских ограничења - стене обиље и падине, и тако даље — углавном зато што су ХиРИСЕ слике довољно високе резолуције да се виде велике стене и мере падине. Али били смо мало мање прецизни у разумевању онога што бих назвао геолошким окружењем. Односно, како је настало то подручје, које су главне геолошке силе које су га обликовале. То је било теже.”

Пошто слике добијене из орбите имају ограничену резолуцију, тешко је видети врсте детаља који су потребни да би се најпрецизније идентификовали циљеви од научног интереса, као што су одређени седиментни стене. Имати слике много веће резолуције попут оних које би могао да сними хеликоптер било би од непроцењиве вредности бирајући места за слетање која су била и безбедна за возила и максимизирала шансе за стварање важних научних налазима.

Хеликоптери би чак могли да носе различите врсте инструмената као што је радар који продире у земљу који би научницима могао директно рећи шта се крије испод површине Марса.

Повезан:Радар за продирање у земљу за бетон

Лов на живот одозго

Хеликоптери би се ипак могли користити за више од подршке другим мисијама. Таква машина би потенцијално могла бити опремљена било којом врстом камере, као што су радарски, инфрацрвени или термовизијски инструменти који могу открити састав и минералогију марсовског тла.

Ово је важно јер ови алати могу идентификовати одређене минерале, као што је глина, који се формирају када је вода присутна. Подручја са великом густином ових минерала глине су кључни циљеви за истраживање да ли постоје можда је некада био живот на Марсу.

Неки од најзанимљивијих мета за истраживање научника су стрмине, или стрме литице настале ерозијом, јер оне откривају слојеве стена који су настали током времена. Гледање у ове слојеве је као гледање уназад у марсовску историју. Међутим, пошто су стрме и камените, ове области је тешко истражити роверима и морају да поступају веома пажљиво. Ровер Оппортунити, на пример, провео је читаву годину пажљиво возећи се око ивице једне такве стрмине да би то сликао, док су „овакве слике могле да се добију хеликоптером за неколико дана“, Голомбек рекао.

На питање да ли постоји одређена локација на Марсу коју би лично волео да истражи хеликоптерима, Голомбек се насмејао. "Има стотине - хиљаде!" рекао је. „Површина Марса слична је изложеној површини изнад воде Земље. Размислите о разликама између Великог кањона и Хималаја, између обалних зона и унутрашњости. Има толико различитих места која би вам рекла занимљиве ствари.”

Алати у марсовској кутији са алаткама

Оба стручњака су се сложила да будућност истраживања Марса није питање ни хеликоптера ни ровера, већ употребе оба према потреби за различите задатке.

„Ја сам инжењер у срцу, тако да су за мене сви алати у кутији са алатима“, рекао је Равицх. „За атмосферска тела као што је Марс, постојаће јак случај да је летелица одговор за све што желите да радите. Ако желите да се спустите у велику рупу попут кањона, или ако желите да се попнете на планину, то ће бити најбољи одговор. Али увек постоји ограничење шта можемо да понесемо – зато су птице тако лагане, а слонови нису – тако да ћете увек моћи да урадите више науке и да понесете више са [копненим] возилом.”

Потреба за више врста возила постаје још јаснија када људи уђу у слику, када планирају будуће мисије са људском посадом на Марс. „Вероватно ће нам требати и једно и друго“, рекао је Равич. „Ако погледате људе данас, ми комуницирамо са копненим возилима и ваздушним возилима, и не видим да се то мења.

Препоруке уредника

• Космолошко путовање: незгодна логистика постављања људи на Марс
• Вештачка атмосфера: Како ћемо изградити базу са ваздухом за дисање на Марсу
• 7 минута терора: Слом Персеверанце-овог лудог слетања на Марс
• Марсова прашина је велики проблем за астронауте. Ево како се НАСА бори против тога
• Како ће НАСА-ин Персеверанце Ровер тражити живот на Марсу