Yaratıcılıkla Tanışın: Mars'ta Uçmak İçin Tasarlanan Yüksek Teknolojiye Sahip Helikopter

NASA, bu hafta Mars'a yapacağı gezide Perseverance gezginini fırlattığında, yanında bir arkadaşı da olacak. Atlas V roketinin burun konisi: Başka bir helikopterle uçan ilk rotorlu araç olacak olan Ingenuity adlı helikopter gezegen. Bu deneysel minyatür helikopter, gezegeni havadan incelerken Mars araştırmalarında yepyeni bir alan açabilir.

Ancak yüz milyonlarca kilometre uzaktaki bir gezegenin etrafında manevra yapabilecek bir kara aracı tasarlamanın zor olduğunu düşünüyorsanız, bunu denemeyi hayal edin. çok ince bir atmosferde, donma sıcaklıklarında, seyrederken uçabilen bir helikopter tasarlamak özerk olarak.

Bunu nasıl yaptıklarını ve Mars keşfinin geleceğinin nasıl görünebileceğini öğrenmek için NASA'nın Jet Propulsion Laboratuvarı'ndaki Yaratıcılık projesinin baş mühendisi ve kıdemli bir bilim insanı ile konuştuk.

Eşi benzeri görülmemiş bir meydan okuma

Başka bir gezegende uçabilen bir helikopter inşa etmek çok sayıda zorluğu beraberinde getiriyor; bunlardan en acil olanı, atmosfer bu kadar inceyken bir şeyin havada kalmasının nasıl sağlanacağıdır. Mars'ın atmosferi, Dünya'daki atmosferin yoğunluğunun yalnızca %1'i civarındadır; bu, 100.000 feet yükseklikte olmaya eşdeğerdir. Bunun uçuşu ne kadar zorlaştırdığını göstermek için, Dünya'daki helikopter uçuşundaki irtifa rekorunun 40.000 feet'in biraz üzerinde olması.

Helikopterler, havayı aşağı doğru iten ve kaldırma kuvveti oluşturan döner bıçaklar kullanarak havayı çok hızlı hareket ettirerek çalışır. Ancak Mars'ta ince hava, bıçaklarla hareket ettirildiğinde bile çok az kaldırma kuvveti sağlıyor. Her ne kadar tasarımcılar Mars'ta yer çekiminin daha düşük olduğu gerçeğinden biraz yardım alsalar da, Mars'taki yer çekimi kuvvetinin üçte birinden biraz fazlasındadır. Dünya'da, kendisini yalnızca ince bir atmosferle destekleyebilecek bir gemi yapma konusunda hala önemli bir sorun vardı. ile.

Ingenuity'nin makine mühendisliği lideri Josh Ravich, Digital Trends'e şunları söyledi: "Bu sorunun çözümü düşük kütledir." Kütleyi düşük tutmak tüm görevin genel olarak en zorlu mücadelesiydi.” Helikopterin tamamının 4 poundun (1,8 pound) altında olması gerekiyordu kilogram) özenle seçilmiş malzemelerin kullanılmasını gerektirir ve ana şasi çok küçüktür, 14 cm'lik (5,5 inç) bir küptür. boyutunda.

Ağırlık sorunu zanaatın diğer yönlerine de sınırlamalar getiriyor: aracı çalıştırmak için pil şeklinde ne kadar güç taşıyabileceğinizi ve bıçaklarınızın ne kadar büyük olabileceğini" Ravich söz konusu. Aracın otonom olarak şarj edilmesini sağlayan güneş paneli kullanılarak güç toplandığı için pillere ihtiyaç duyuluyor.

Helikopterin kanatlarının büyük olması gerekir (1,2 metrenin biraz altında bir açıklığa sahiptirler) ve aracın uçması için yeterli kaldırma kuvveti sağlanır. Yeterince büyük ve yeterince hafif bıçaklar yapmak için ekip, karbon fibere benzer kompozitler de dahil olmak üzere yeni malzemeler kullandı. Toplamda, iki rotor halinde düzenlenmiş dört kanat vardır ve bunların her biri, Dünya'daki tipik helikopter kanatlarının yaklaşık 500 rpm hızından çok daha hızlı olan 2.400 rpm'ye kadar döner.

Soğuk sorunu

Maddi yenilikler gerektiren bir diğer konu da geceleri eksi 100 Fahrenheit dereceye kadar düşebilen yüzey sıcaklığı sorunuydu. Hava bu kadar soğuk olduğunda elektronik sistemler güvenilir bir şekilde çalışmaz ve aracın sıcak kalabilmek için değerli bir güç kullanması gerekir. Bu nedenle Ingenuity ekibi, aracın hassas elektronik bileşenlerinin etrafında ince yalıtım katmanları kullanan bir çözüm buldu.

Ravich, "Normalde bunu oraya çok fazla kalın yalıtım koyarak çözersiniz, ancak yalıtım oldukça ağırdır" dedi. “Böylece atmosferin bir kısmını kullandık, tıpkı bir ördek ya da kazın tüylerinin altında bir yalıtım tabakası olması gibi, Mars atmosferinden gelen gazı kullanıyoruz. Yeterince ince termal battaniye kullanırsanız bir miktar yalıtım sağlayabilirsiniz.”

Soğuğun neden olduğu son karmaşık sorun, sönümleme malzemelerinin düşük sıcaklıklara nasıl tepki vereceği sorunudur. "Dünyadaki çoğu helikopterde, helikopterin merkez göbeğine gelen ağırlığı kaldıran fiziksel elastik amortisörler bulunur" dedi. Bu damperler, çok yüksek hızlarda dönen kanatların neden olduğu önemli titreşimleri emer. "Fakat bunlar Mars sıcaklıklarında pek işe yaramıyor, bu yüzden bunun daha katı bir sistem olarak çalışmasını sağlamak için çok fazla tasarım yapmamız gerekti."

Otonom bir kaşif

Burası ile Mars arasındaki birkaç dakikalık iletişim gecikmesi nedeniyle helikopteri doğrudan Dünya'dan uçurmak mümkün değil. Bunun yerine Ingenuity, sensörlerini kullanarak çevresindeki ortamı tespit edecek ve buna göre hareket edecek şekilde çoğunlukla otonom olacak.

Bu görev için, bir navigasyon kamerası, bir lazer altimetre ve atalet ölçüm birimi (IMU) adı verilen bir ivmeölçer jiroskop paketi dahil olmak üzere yerleşik enstrümanlar kullanılacak. Bu araçları kullanarak araç nereye gittiğini ve yerden ne kadar uzakta olduğunu hesaplayabilir. Hatta yolundaki potansiyel engellerden kaçınmak için bazı tehlike tespitleri bile yapabilir.

Bu, Ravich'in açıkladığı gibi, yerdeki teknisyenlerin araca bir uçuş planı vermesi ve ardından Ingenuity'nin bunu uygulayabilmesi anlamına geliyor: "Helikopterin uçma şekli şu şekildedir: Temel olarak bir uçuş yolu olan bir uçuş planı girin ve "kanatları bu kadar uzun süre döndürün, buraya uçun, arkanızı dönün, buraya uçun" diyorsunuz... ve ardından Ingenuity bu sıralamayı şu şekilde yapıyor: kendisi.”

Helikopterin gezici ile yaklaşık bir kilometrelik iletişim menzili içinde kalması ve ideal olarak doğrudan görüş hattına sahip olması gerekir. Ancak bunun ötesinde, Ingenuity bağımsız olarak çalışabiliyor ve geziciden herhangi bir destek almadan şarj olabiliyor, havalanabiliyor ve inebiliyor. Plan, helikopterin gezegenin etrafında manevra yapma konusunda ne kadar yetenekli olduğunu görmek için her seferinde tek bir zorluğun üstesinden gelmesidir.

Ravich, "Giderek karmaşıklaşan bir dizi görevi uçuracağız" dedi. “Nominal olarak görev bir ila üç uçuştan oluşuyor, ancak işlerin gidişatına bağlı olarak beş uçuşa kadar da çıkabilir… Her uçuş biraz daha karmaşık olacak. İlkinde ayağa kalkacağız, etrafta gezineceğiz, yere ineceğiz. İkincisi ayağa kalkmak, arkanı dönmek, belki biraz hareket etmek, sonra geri gelip yere inmek olabilir. Sona doğru, eğer işler iyi gidiyorsa, ayağa kalkıp o tarafa uçmaya ve yeni bir iniş noktası bulup burayı bir sonraki operasyon üssü olarak tutmaya karar verebilirler.”

Konseptin kanıtlanması

Ingenuity bir bilim misyonu olarak tasarlanmamıştır, dolayısıyla bilim verileri toplamayacaktır; ancak uzmanlar topladığı verilerin bir kısmından yararlanabileceklerini ummaktadır. Görevin amacı, başka bir gezegende rotorlu taşıt uçurmanın teknolojik olarak mümkün olduğunu göstermek ve gelecekteki Mars helikopterlerinin tasarlanmasına yardımcı olacak mühendislik verilerini toplamaktır.

Bu, yüzeyde kesin bir konuma manevra yapmasına gerek olmadığından, geminin nasıl hareket edebileceği konusunda bir dereceye kadar esneklik olduğu anlamına gelir. Araç muhtemelen Perseverance gezgininin birkaç yüz metre yakınında kalacak, böylece kendisini buna göre konumlandırabilecek. Ravich, "Bir dereceye kadar, uçarken ne kadar hassas olduğumuzun çok da önemli olduğunu düşünmüyorum; helikopter tam olarak nerede olduğunu düşündüğünü bilecek" dedi. "Daha yüksek bir seviyeden, güvenli bir şekilde indiği sürece, 3 metre bu tarafa ya da 10 fit bu tarafa inmesi çok da önemli değil."

Havadan yardım

Yaratıcılık konsepti uygulamada beklendiği gibi çalışırsa, helikopterler paha biçilmez faydalar sağlayabilir. Gelecekteki gezici görevlere yardım, yüzeyin görüntülerinin alınması ve keşiflerin daha hızlı ve daha fazla yapılması kesin.

Matt Golombek, Mars bilim görevlerinde çalışmış, Mars'taki iniş yerlerinin seçiminde uzmanlaşan ve baş araştırmacı olan Matt Golombek Mars helikopteri için ilk teklif için Digital Trends'e helikopterlerin gelecekteki keşiflere nasıl faydalı olabileceğini açıkladı operasyonlar.

Çözünürlük boşluğunu doldurma

Gelecekteki helikopter görevlerinin gerçekleştirebileceği en değerli görevlerden biri, Mars yüzey görüntülerinin "çözünürlük boşluğu" olarak bilinen boşluğu doldurmak için yüksek çözünürlüklü fotoğraflar çekmek olacaktır. Bu, "yörüngeden sahip olduğumuz, piksel başına yaklaşık 25 santimetre (yaklaşık 10 inç) olan en yüksek çözünürlüklü görüntüler arasındaki fark anlamına gelir ve" HiRISE görselleriGolombek, "çözünürlüğümüzün piksel başına 3 santimetreye yakın olduğu önceki gezici görevlerde yerde görebileceğiniz şeye kıyasla" dedi. "Bu yaklaşık bir büyüklük sırası."

HiRISE cihazı kullanılarak alınan gezegen yüzeyinin yüksek çözünürlüklü görüntüleri, yörüngeden yakalandıkları göz önüne alındığında inanılmaz derecede ayrıntılı olmasına rağmen, yüzeylemeler gibi arazinin yapısal özelliklerini gösterecek veya gezicilerin kullanabileceği belirli kayalar gibi bilimsel ilgi alanlarını tanımlayacak kadar ayrıntılı değil ziyaret etmek. Bu nedenle gezicilerin, bilimsel açıdan ilginç olan kayaları veya diğer özellikleri bulmak için indikleri alanın etrafını keşfetmeleri gerekiyor.

Bir helikopter, gezici görevler için keşif aracı olarak kullanılabilir ve yörüngeden mümkün olanlardan daha ayrıntılı görüntüler alabilir. Bu görüntüler belirli bilimsel ilgi alanlarının belirlenmesinde kullanılabilir, böylece ekip geziciyi araştırma için en değerli hedeflere gönderebilir.

Gezicilerin kapsama alanı genişletiliyor

Mars gezgini görevleriyle ilgili fark edemeyeceğiniz şeylerden biri, sınırlı çalışma gücüne sahip olduklarından ve yaptıkları her hareketin dikkatlice planlanması gerektiğinden, her gezicinin ne kadar küçük bir alanı kapladığıdır. Örneğin Perseverance, ana görevi boyunca 3 ila 12 mil (5 ila 20 kilometre) arasında yol kat edecek. Ve gezegenin en uzak menzilli gezgini Opportunity, 14 yıllık ömrü boyunca inanılmaz bir 28 mil (45 kilometre) yol kat etti. Uzak bir gezegeni keşfeden bir gezici için bu ne kadar etkileyici olsa da, bu mesafeler Mars'ın toplam yüzey alanının yalnızca bir kısmını temsil ediyor.

Örneğin bir gezicinin bir kilometrelik mesafeyi kat etmesi haftalar sürebilir. Ingenuity ise sadece 90 saniyede bir kilometreye kadar yol alabiliyor, ancak ekip helikopteri ilk görevinde bu kadar yüksek hızlarda çalıştırmayı planlamıyor. Ancak gelecekteki helikopterler gezegenin çok daha geniş bir alanını keşfedebilir ve yakaladıkları görüntüler gezici bulgularını daha geniş bir bağlama oturtmak açısından çok değerli olacaktır. Bu tür görüntüler, bilim adamlarının gezegenin küresel jeolojisini anlamalarına ve gezici tarafından incelenen alanların daha geniş Mars ortamını temsil edip etmediğini anlamalarına yardımcı olacak.

Helikopter ayrıca gezicilerin yüzeyde gezinmesi için gereken süreyi önemli ölçüde azaltarak araştırma alanının genişletilmesine de yardımcı olabilir. Şu anda gezici sürüş rotaları mevcut en yüksek çözünürlüklü görüntüler kullanılarak belirleniyor, ancak bu görüntüler her zaman engelleri veya tehlikeleri göstermez, bu nedenle sürücülerin yavaş ve dikkatli bir şekilde seyretmesi gerekir. dikkatlice.

Golombek, "Genellikle gezicilerin bir günde kat ettiği maksimum mesafe 60 ila 100 metredir" dedi. "Fakat bu yüksek çözünürlüklü bilgiye sahip olsaydınız, bu size özellikle güvenli sürüşün nerede olduğunu söylerdi." yollar olsaydı, bunu kolayca ikiye veya üçe katlayabilir ve böylece hedefinize çok daha hızlı ulaşabilirsiniz.”

Bir iniş noktası bulma

Ancak bir gezicinin keşif yapabilmesi için önce inmesi gerekiyor. İniş yerinin seçilmesi sürecinde de hava desteğinden faydalanılabilir.

"İniş alanı seçimi, tasarladığınız ve inşa ettiğiniz uzay aracıyla yüzeye iniş yapmanın ne kadar güvenli olduğunu karakterize etmenin bir birleşimidir. Çıkarıcılar altlarında kendilerini delip geçebilecek veya devrilebilecek büyük kayaların bulunmasından hoşlanmazlar, dik eğimler genellikle iyi bir şey değildir ve İçine düşebileceğiniz çok kabarık alanlar kötü seçimlerdir; dolayısıyla mühendislik kısıtlamaları dediğimiz bir dizi durum söz konusudur." Golombek dedi.

Bu mühendislik kısıtlamaları aynı zamanda Mars'ın ince atmosferi nedeniyle de karmaşıklaşıyor; çünkü bu, araçların iniş için geldiklerinde paraşüt kullanarak kendilerini yavaşlatmalarını zorlaştırıyor. Bu nedenle ekibin, aracın oraya güvenli bir şekilde inebilmesini sağlamak için iniş alanının yüksekliğini de dikkate alması gerekiyor.

"Ve ayrıca taşıdığınız yüke ve Görevin bilimsel hedefleri Mars hakkında öğrenmek ve öğrenmek istediğiniz şeyler" dedi. Açık. "Ve söz konusu görev için hem güvenli hem de bilimsel açıdan ilgi çekici bir yer bulmak için bunların hepsini birlikte tartmanız gerekiyor."

Golombek gibi iniş yerlerini seçen insanlar, hangi yerlerin bu kriterleri karşılayacağını bulmak için büyük ölçüde yörüngeden alınan görüntülere güveniyorlar. Ve beklenenden en ufak bir sapma bile, 2018'de Mars'a inen InSight iniş aracının yaşadığı gibi sorunlara neden olabiliyor. InSight ekibi uygun şekilde düz ve kayalardan arındırılmış bir konum bulmayı başardı ve yüzeyi oluşturan malzemelerle ilgili tahminleri tamamen doğru çıktı. Ancak iniş aracının bulunduğu yerin altındaki toprağın, duracrust adı verilen daha sert bir malzeme halinde sıkıştırılmış olması nedeniyle beklenenden biraz farklı olduğu ortaya çıktı. Ve bu, denemede birçok soruna neden oldu iniş aracının ısı sondasını gömün yüzeyin altında.

Golombek, "Yüzeyde gerçekte ne olduğunu anlamak için kullandığınız yörünge verilerinde her zaman belirsizlik vardır" dedi. "Genel olarak, iniş yeri seçimi için mühendislik kısıtlamalarını (kaya kayası) ölçme ve karakterize etme konusunda çok iyiydik. bolluk ve eğimler vb. - çoğunlukla HiRISE görüntülerinin büyük kayaları görmeye ve ölçüm yapmaya yetecek kadar yüksek çözünürlükte olması nedeniyle yamaçlar. Ancak jeolojik ortam dediğim şeyi anlama konusunda biraz daha az isabetli davrandık. Yani o bölge nasıl oluştu, onu şekillendiren temel jeolojik güçler nelerdi? Bu daha zordu.”

Yörüngeden elde edilen görüntüler sınırlı bir çözünürlüğe sahip olduğundan, her türlü ayrıntıyı görmek zordur. belirli tortullar gibi bilimsel ilgi hedeflerini en doğru şekilde belirlemek için gerekli olan kayalar. Helikopterle çekilebilecek görüntülere benzer çok daha yüksek çözünürlüklü görüntülere sahip olmak, Hem araçlar için güvenli olan hem de önemli bilimsel çalışmalar yapma şansını en üst düzeye çıkaran iniş alanlarının seçilmesi bulgular.

Helikopterler, bilim adamlarına Mars yüzeyinin altında neyin gizlendiği hakkında doğrudan bilgi verebilecek, yere nüfuz eden radar gibi farklı türde araçları bile taşıyabilir.

İlgili:Beton için Yere Nüfuz Eden Radar

Yaşamı yukarıdan avlamak

Ancak helikopterler diğer görevleri desteklemekten daha fazlası için kullanılabilir. Böyle bir makine, Mars yüzeyinin bileşimini ve mineralojisini açığa çıkarabilecek radar, kızılötesi veya termal görüntüleme cihazları gibi herhangi bir tür kamerayla potansiyel olarak donatılabilir.

Bu önemlidir, çünkü bu araçlar su mevcut olduğunda oluşan kil gibi belirli mineralleri tanımlayabilir. Bu kil minerallerinin yüksek yoğunlukta olduğu alanlar, bu minerallerin bulunup bulunmadığına ilişkin araştırmalar için temel hedeflerdir. Bir zamanlar Mars'ta hayat olmuş olabilir.

Bilim adamlarının araştırma yapması gereken en ilginç hedeflerden bazıları yamaçlar veya erozyonla oluşan dik uçurumlardır çünkü bunlar zaman içinde oluşan kaya katmanlarını ortaya çıkarır. Bu katmanlara bakmak Mars tarihine bakmak gibidir. Ancak dik ve kayalık oldukları için bu alanları keşfetmek geziciler için zor ve çok dikkatli ilerlemeleri gerekiyor. Örneğin gezici Opportunity, bütün bir yılı böyle bir uçurumun kenarında dikkatli bir şekilde dolaşarak geçirdi. Golombek "bu tür görüntüler bir helikopterle birkaç gün içinde elde edilebilirdi" dedi. söz konusu.

Golombek, Mars'ta helikopterlerle şahsen keşfetmek istediği belirli bir yer olup olmadığı sorulduğunda güldü. "Yüzlerce, binlerce var!" dedi. "Mars'ın yüzey alanı, Dünya'nın su üzerindeki açık yüzey alanına benzer. Büyük Kanyon ile Himalayalar arasındaki, kıyı bölgeleri ile iç kısımlar arasındaki farkları düşünün. Size ilginç şeyler anlatacak pek çok farklı yer var.”

Mars'ın alet kutusundaki araçlar

Her iki uzman da Mars keşfinin geleceğinin helikopter veya gezici araç meselesi olmadığı, daha ziyade her ikisinin de farklı görevler için kullanılması meselesi olduğu konusunda hemfikirdi.

Ravich, "Ben özünde bir mühendisim, dolayısıyla bana göre bunların hepsi alet kutusundaki aletlerdir" dedi. “Mars gibi atmosferik cisimler için, yapmak istediğiniz her şeyin cevabının bir hava aracı olduğuna dair güçlü bir durum olacak. Kanyon gibi büyük bir çukura inmek istiyorsanız ya da bir dağa tırmanmak istiyorsanız bu en iyi cevap olacaktır. Ancak taşıyabileceklerimizin her zaman bir sınırı vardır - bu nedenle kuşlar çok hafiftir ve filler değildir - bu nedenle her zaman daha fazla bilim yapabilecek ve bir [kara] aracıyla daha fazlasını taşıyabileceksiniz."

Mars'a gelecekte yapılacak insanlı misyonlar planlanırken, işin içine insanlar da girince birden fazla türde araca olan ihtiyaç daha da netleşiyor. Ravich, "Muhtemelen ikisine de ihtiyacımız olacak" dedi. "Bugün insanlara bakarsanız, kara araçları ve hava araçlarıyla etkileşim halindeyiz ve bunun değiştiğini görmüyorum."

Editörlerin Önerileri

• Kozmolojik bir yolculuk: İnsanları Mars'a yerleştirmenin zorlu lojistiği
• Yapay atmosferler: Mars'ta solunabilir havaya sahip bir üs nasıl inşa edeceğiz?
• 7 dakikalık terör: Perseverance'ın çılgın Mars iniş sekansının dökümü
• Mars tozu astronotlar için büyük bir sorundur. NASA bununla nasıl savaşıyor?
• NASA'nın Perseverance Rover'ı Mars'ta yaşamı nasıl arayacak?