Möt uppfinningsrikedom: den högteknologiska helikoptern designad för att flyga på Mars

När NASA lanserar Perseverance-rovern på sin resa till Mars den här veckan kommer den att ha en följeslagare instoppad bredvid sig i Atlas V-raketens noskon: En helikopter som heter Ingenuity, som kommer att bli den första rotorfarkost någonsin att flyga på en annan planet. Denna experimentella miniatyrhelikopter kan öppna ett helt nytt område för Mars-utforskning när den undersöker planeten från luften.

Men om du tycker att det är svårt att designa ett markfordon för att manövrera runt en planet hundratals miljoner mil bort, tänk dig att försöka att designa en helikopter som kan flyga i en atmosfär så tunn att den knappt är där, i minusgrader, medan du navigerar självständigt.

Vi pratade med en ledande ingenjör och en senior forskare på Ingenuity-projektet vid NASA: s Jet Propulsion Lab för att ta reda på hur de gjorde det och hur framtiden för Mars-utforskning kan se ut.

En utmaning utan motstycke

Att bygga en helikopter som kan flyga på en annan planet kommer med många utmaningar, varav den mest pressande är hur man får något att stanna i luften när atmosfären är så tunn. Mars atmosfär är bara cirka 1 % av atmosfärens densitet på jorden, vilket motsvarar att vara på en höjd av 100 000 fot. För att visa hur svårt det gör flygningen är höjdrekordet för helikopterflygning på jorden drygt 40 000 fot.

Helikoptrar arbetar genom att flytta luft mycket snabbt med hjälp av roterande blad, som trycker luften nedåt och skapar lyft. Men på Mars erbjuder den tunna luften väldigt lite lyft, även när den flyttas med blad. Även om formgivarna fick lite hjälp av det faktum att gravitationen är lägre på Mars, med drygt en tredjedel av gravitationskraften på Jorden, det fanns fortfarande det betydande problemet att göra ett farkost som kunde försörja sig med bara en tunn atmosfär att fungera med.

"Lösningen på det problemet är låg massa," sa Josh Ravich, maskinteknikledare för Ingenuity, till Digital Trends, "vilket var totalt sett den svåraste utmaningen för hela uppdraget, att hålla massan låg.” Hela helikoptern behövde väga under 4 pund (1,8 kilogram) vilket krävde användning av noggrant utvalda material, och huvudchassit är mycket litet och är en kub på 14 cm (5,5 tum) i storlek.

Och viktfrågan satte begränsningar för andra aspekter av hantverket också: "Vi måste balansera mellan hur mycket kraft du kan bära i form av batterier för att driva fordonet, och hur stora dina blad kan vara, säger Ravich sa. Batterierna behövs eftersom ström samlas in med hjälp av en solpanel ovanpå fordonet som gör att det kan laddas autonomt.

Helikopterns blad måste vara stora – de har en spännvidd på strax under 4 fot (1,2 meter) – för att ge tillräcklig lyftkraft för fordonet att flyga. För att göra blad som var både tillräckligt stora och tillräckligt lätta använde teamet nya material inklusive kompositer som liknar kolfiber. Det finns fyra blad totalt, arrangerade i två rotorer, som var och en snurrar med upp till 2 400 rpm, mycket snabbare än den cirka 500 rpm hastighet som är typisk för helikopterblad på jorden.

Problemet med kyla

En annan fråga som behövde materialinnovationer var problemet med yttemperaturen, som kan falla så lågt som minus 100 grader Fahrenheit på natten. När det är så kallt fungerar inte elektroniska system tillförlitligt och fordonet behöver använda värdefull kraft för att hålla sig varm. Så Ingenuity-teamet kom fram till en lösning med tunna lager av isolering runt fordonets känsliga elektroniska komponenter.

"Normalt skulle du lösa detta genom att lägga mycket tjock isolering där, men isolering är ganska tung," sa Ravich. "Så det slutade med att vi använde en del av själva atmosfären, precis som en anka eller en gås skulle ha ett lager av isolering under sina fjädrar, använder vi gasen från Mars atmosfär. Om du använder tillräckligt med tunna värmefiltar kan du få lite isolering.”

En sista komplicerande fråga som orsakas av kylan är problemet med hur dämpande material reagerar på låga temperaturer. "De flesta helikoptrar på jorden har fysiska elastiska dämpare som lyfter vikt som kommer in i helikopterns mittnav," sa han. Dessa dämpare absorberar de avsevärda vibrationerna som orsakas av att bladen roterar med mycket höga hastigheter. "Men de fungerar inte lika bra vid Mars-temperaturer, så vi var tvungna att göra mycket design för att få det att fungera som ett stelare system."

En autonom upptäcktsresande

Det är inte möjligt att direkt flyga helikoptern från jorden på grund av kommunikationsfördröjningen på flera minuter mellan här och Mars. Istället kommer Ingenuity att vara mestadels autonom, använda sina sensorer för att upptäcka miljön runt den och röra sig därefter.

För denna uppgift kommer den att använda instrument ombord, inklusive en navigeringskamera, en laserhöjdmätare och ett accelerometergyroskoppaket som kallas en tröghetsmätenhet (IMU). Med hjälp av dessa verktyg kan farkosten räkna ut vart den är på väg och hur långt bort den är från marken. Den kan till och med göra viss riskdetektering för att undvika potentiella hinder i dess väg.

Det betyder att teknikerna på marken ger farkosten en färdplan, och sedan kan Ingenuity utföra den, som Ravich förklarade: "Sättet helikoptern flygs på är att vi ange en färdplan, i princip en flygbana, och säg "snurra bladen så här länge, flyg hit, vänd dig om, flyg hit"... och sedan gör Ingenuity den sekvensen genom att sig."

Helikoptern måste hålla sig inom kommunikationsräckvidden med rovern, som är cirka en kilometer, och helst bör ha en direkt siktlinje. Men utöver det kan Ingenuity arbeta självständigt och kan ladda, lyfta och landa utan något stöd från rovern. Planen är att helikoptern ska ta sig an en utmaning i taget, för att se hur kapabel den är att manövrera runt planeten.

"Vi kommer att flyga en serie av allt mer komplexa uppdrag," sa Ravich. "Nominellt är uppdraget en till tre flygningar, men det kan vara så många som fem flygningar beroende på hur det går... Varje flygning kommer att bli lite mer komplex. Den första, vi reser oss upp, svävar runt, landar. Den andra kan vara att resa sig upp, vända, kanske röra sig lite och sedan komma tillbaka och landa. Mot slutet, om det går bra, kan de besluta sig för att resa sig upp, flyga iväg den vägen och hitta en ny landningsplats och behålla den som nästa operationsbas.”

Bevisar konceptet

Uppfinnsamhet är inte tänkt som ett vetenskapsuppdrag, så det kommer inte att samla in vetenskaplig data - även om experter hoppas att de kommer att kunna använda en del av den data som den samlar in. Syftet med uppdraget är att visa att det är tekniskt möjligt att flyga en rotorfarkost på en annan planet och att samla in teknisk data för att hjälpa till att designa framtida Mars-helikoptrar.

Det betyder att det finns en viss grad av flexibilitet i hur farkosten kan röra sig, eftersom det inte finns något behov av att manövrera till en exakt plats på ytan. Farkosten kommer sannolikt att stanna inom några hundra meter från Perseverance-rovern, så den kan positionera sig i förhållande till det. "I viss mån tror jag inte att det spelar så stor roll hur exakta vi är när vi flyger - helikoptern kommer att veta exakt var den tror att den är," sa Ravich. "Från en högre nivå spelar det inte så stor roll om det är 10 fot så här eller 10 fot på det sättet när det landar - så länge det landar säkert."

Hjälp från luften

Om uppfinningsrikedomskonceptet fungerar i praktiken som förväntat, skulle helikoptrar kunna ge ovärderligt hjälp till framtida roveruppdrag, ta bilder av ytan och göra utforskning snabbare och mer exakt.

Matt Golombek, en veteran från Mars vetenskapsuppdrag som specialiserat sig på att välja landningsplatser på Mars och som var den främsta utredaren för det första förslaget för Mars-helikoptern, förklarade för Digital Trends hur helikoptrar kan vara till nytta för framtida utforskning operationer.

Fyller i upplösningsluckan

En av de mest värdefulla uppgifterna som framtida helikopteruppdrag skulle kunna utföra skulle vara att ta högupplösta bilder för att fylla i det som kallas "upplösningsgapet" för Mars-ytbilder. Detta syftar på "skillnaden mellan de högsta upplösta bilderna vi har från omloppsbana, som är cirka 25 centimeter (cirka 10 tum) per pixel och kallas HiRISE bilder, jämfört med vad du kan se på marken i tidigare roveruppdrag, där vår upplösning är något närmare 3 centimeter per pixel,” sa Golombek. "Det handlar om en storleksordning."

Även om högupplösta bilder av planetens yta tagna med HiRISE-instrumentet är otroligt detaljerade med tanke på att de är tagna från omloppsbana, är inte tillräckligt detaljerade för att visa strukturella egenskaper hos marken som hällar, eller för att identifiera områden av vetenskapligt intresse som speciella stenar för rovers besök. Så rovers måste utforska området där de landar för att hitta stenar eller andra egenskaper som är vetenskapligt intressanta att undersöka.

En helikopter skulle kunna användas som en scout för roveruppdrag och ta bilder som är mer detaljerade än de som är möjliga från omloppsbana. Dessa bilder skulle kunna användas för att identifiera områden av särskilt vetenskapligt intresse, så att teamet kunde skicka rovern direkt till de mest värdefulla målen för forskning.

Utökar rovers täckningsområde

En sak du kanske inte inser om Mars roveruppdrag är hur litet område varje rover täcker, eftersom de har begränsad kraft att operera på, och varje rörelse de gör måste planeras noggrant. Uthållighet, till exempel, kommer att täcka mellan 3 och 12 miles (5 och 20 kilometer) över sitt huvudsakliga uppdrag. Och planetens rover längst bort, Opportunity, tillryggalade otroliga 28 miles (45 kilometer) under sin 14-åriga livslängd. Lika imponerande som detta är för en rover som utforskar en avlägsen planet, representerar dessa avstånd bara en bråkdel av Mars totala yta.

En rover kan till exempel ta veckor att resa en kilometer. Medan Ingenuity kunde resa upp till en kilometer på bara 90 sekunder, även om teamet inte planerar att köra helikoptern i så höga hastigheter på sitt första uppdrag. Men framtida helikoptrar skulle kunna utforska ett mycket större område av planeten, och bilder de tog skulle vara ovärderliga för att sätta roverfynd i ett bredare sammanhang. Sådana bilder skulle hjälpa forskare att förstå planetens globala geologi och berätta för dem om de områden som studerats av roveren är representativa för den större miljön på mars.

Helikoptern kan också bidra till att utöka undersökningsområdet genom att avsevärt minska den tid det tar för rovers att navigera runt ytan. För närvarande bestäms roverkörningsrutter med hjälp av de högst tillgängliga bilderna, men dessa bilder visar inte alltid hinder eller faror så att förarna måste navigera långsamt och försiktigt.

"Vanligtvis är den maximala körningen av rovers under en dag 60 till 100 meter," sa Golombek. "Men om du hade den här högupplösta informationen, skulle det tala om för dig specifikt var det är säkert att köra vägar var, kan du dubbla eller tredubbla så enkelt, och därmed komma till din destination mycket snabbare."

Att hitta en landningsplats

Innan en rover kan utforska måste den dock landa. Och processen att välja en landningsplats kan också dra nytta av flygstöd.

"Val av landningsplats är en kombination av att karakterisera hur säker ytan är att landa med den rymdfarkost du har designat och byggt - landare gillar inte att ha stora stenar under sig som kan spetsa dem eller välta dem, branta sluttningar är i allmänhet inte bra, och områden som är mycket fluffiga som du kan sjunka in i är dåliga val - så det finns en hel uppsättning av vad vi kallar tekniska begränsningar." sa Golombek.

Dessa tekniska begränsningar kompliceras också av Mars tunna atmosfär, eftersom detta gör det svårare för fordon att sakta ner sig med fallskärmar när de kommer in för landning. Så teamet måste också överväga höjden av en landningsplats, för att säkerställa att fordonet kan landa där säkert.

"Och sedan har du vetenskapliga mål, som är baserade på nyttolasten som du bär och vetenskapens mål för uppdraget - de saker som du vill lära dig och ta reda på om Mars, sade han på. "Och du måste väga alla dessa tillsammans för att komma på en plats [att landa] som är både säker och även vetenskapligt intressant för just det uppdraget."

De människor som väljer landningsplatser, som Golombek, förlitar sig till stor del på bilder tagna från en omloppsbana för att pussla ut vilka platser som kommer att uppfylla dessa kriterier. Och de minsta avvikelser från vad som förväntas kan orsaka problem, som de som upplevs av InSight-landaren som landade på Mars 2018. InSight-teamet lyckades hitta en plats som var lämpligt platt och fri från stenar, och deras förutsägelser om materialen som utgör ytan var helt korrekta. Men jorden under ytan där landaren sitter visade sig vara något annorlunda än förväntat, efter att ha komprimerats till ett tuffare material som kallas duracrust. Och detta har orsakat många problem när man försöker gräv ner landarens värmesond under ytan.

"Det finns alltid tvetydigheter i omloppsdata som du använder för att sluta sig till vad som verkligen finns nere på ytan," sa Golombek. "I allmänhet, för val av landningsplats har vi varit väldigt bra på att mäta och karakterisera de tekniska begränsningarna - berget överflöd och sluttningarna och så vidare - mest för att HiRISE-bilderna har tillräckligt hög upplösning för att se stora stenar och mäta backar. Men vi har varit lite mindre exakta när det gäller att förstå vad jag skulle kalla den geologiska miljön. Det vill säga hur det området kom till, vilka var de huvudsakliga geologiska krafterna som formade det. Det har varit tuffare."

Eftersom bilderna som erhålls från omloppsbana har en begränsad upplösning är det svårt att se vilken typ av detaljer som behövs för att mest exakt identifiera mål av vetenskapligt intresse, såsom särskilda sedimentära stenar. Att ha mycket högre upplösningsbilder som de som kan fångas med en helikopter skulle vara ovärderligt att välja landningsplatser som både var säkra för fordonen och maximerade chanserna att göra viktiga vetenskapliga fynd.

Helikoptrar kan till och med bära olika typer av instrument som markpenetrerande radar som kan berätta för forskare direkt om vad som lurar under Mars yta.

Relaterad:Markpenetrerande radar för betong

Jakt på livet från ovan

Helikoptrar kan dock användas för mer än bara stöd för andra uppdrag. En sådan maskin skulle potentiellt kunna utrustas med vilken typ av kamera som helst, såsom radar-, infraröd- eller värmeavbildningsinstrument som kan avslöja sammansättningen och mineralogin hos marsjorden.

Detta är viktigt eftersom dessa verktyg kan identifiera vissa mineraler, såsom lera, som bildas när vatten är närvarande. Områden med hög täthet av dessa lermineraler är viktiga mål för forskning om det finns kan en gång ha varit liv på Mars.

Några av de mest intressanta målen för forskare att forska på är branta klippor som bildas av erosion, eftersom dessa avslöjar de lager av berg som lagts ner med tiden. Att titta på dessa lager är som att se tillbaka i Mars historia. Men eftersom de är branta och steniga är dessa områden svåra för rovers att utforska och de måste gå mycket försiktigt tillväga. Rovern Opportunity tillbringade till exempel ett helt år med att försiktigt köra runt kanten på en sådan brant att avbilda det, medan "denna sortens bilder kunde ha förvärvats på ett par dagar av en helikopter," Golombek sa.

På frågan om det fanns en speciell plats på Mars som han personligen skulle vilja utforska med helikoptrar, skrattade Golombek. "Det finns hundratals - tusentals!" han sa. "Mars yta liknar den exponerade ytan ovanför jorden på jorden. Tänk på skillnaderna mellan Grand Canyon och Himalaya, mellan kustzonerna och interiörerna. Det finns så många olika platser som skulle berätta intressanta saker.”

Verktyg i Martian-verktygslådan

Båda experterna var överens om att framtiden för Mars-utforskning inte var en fråga om vare sig helikoptrar eller rovers, utan snarare om att använda båda efter behov för olika uppgifter.

"Jag är ingenjör i hjärtat, så för mig är de alla verktyg i verktygslådan," sa Ravich. "För atmosfäriska kroppar som Mars kommer det att finnas ett starkt argument för att ett luftfartyg är svaret på vad du än vill göra. Om du vill gå ner i ett stort hål som en kanjon, eller om du vill bestiga ett berg, kommer det att vara det bästa svaret. Men det finns alltid en gräns för vad vi kan bära - det är därför fåglar är så lätta och elefanter inte är det - så du kommer alltid att kunna göra mer vetenskap och bära mer med ett [mark] fordon."

Behovet av flera typer av fordon blir ännu tydligare när människor kommer in i bilden, när de planerar för framtida bemannade uppdrag till Mars. "Vi kommer förmodligen att behöva båda också," sa Ravich. "Om du tittar på människor idag, interagerar vi med markfordon och luftfordon, och jag ser inte att det förändras."

Redaktörens rekommendationer

• En kosmologisk pendling: Den knepiga logistiken att sätta människor på Mars
• Konstgjorda atmosfärer: Hur vi bygger en bas med andningsluft på Mars
• 7 minuter av terror: Ett sammanbrott av Perseverances vansinniga Mars-landningssekvens
• Marsdamm är ett stort problem för astronauter. Så här bekämpar NASA det
• Hur NASA: s Perseverance Rover kommer att söka efter liv på Mars