Зустрічайте Ingenuity: високотехнологічний вертоліт, призначений для польотів на Марсі

Коли NASA цього тижня запустить марсохід Perseverance під час його подорожі на Марс, поруч із ним буде розміщений супутник. Носовий конус ракети Atlas V: гелікоптер під назвою Ingenuity, який має стати першим вертольотом, який коли-небудь літав на іншому планета. Цей експериментальний мініатюрний гелікоптер може відкрити абсолютно нове поле дослідження Марса, оскільки він оглядає планету з повітря.

Але якщо ви думаєте, що важко розробити наземний транспортний засіб для маневрування навколо планети за сотні мільйонів миль, уявіть, що ви спробуєте розробити гелікоптер, який може літати в атмосфері, настільки розрідженій, що її майже немає, за морозних температур під час навігації автономно.

Ми поспілкувалися з провідним інженером і старшим науковим співробітником проекту Ingenuity в Лабораторії реактивного руху НАСА, щоб дізнатися, як вони це зробили і як може виглядати майбутнє дослідження Марса.

Безпрецедентний виклик

Створення вертольота, який може літати на іншій планеті, супроводжується численними проблемами, найактуальніша з яких полягає в тому, як змусити щось залишитися в повітрі, коли атмосфера настільки розріджена. Атмосфера Марса становить лише близько 1% щільності атмосфери на Землі, що еквівалентно знаходженню на висоті 100 000 футів. Щоб продемонструвати, наскільки це ускладнює політ, рекорд висоти для польоту гелікоптера на Землі становить трохи більше 40 000 футів.

Гелікоптери працюють, переміщуючи повітря дуже швидко за допомогою обертових лопатей, які штовхають повітря вниз і створюють підйомну силу. Але на Марсі розріджене повітря забезпечує дуже незначну підйомну силу, навіть якщо його рухати лопатями. Хоча розробникам дещо допоміг той факт, що гравітація на Марсі нижча, трохи більше третини сили тяжіння на Марсі. На Землі все ще існувала серйозна проблема створення корабля, який міг би підтримувати роботу лише з тонкою атмосферою з.

«Рішення цієї проблеми полягає в малій масі, — сказав Digital Trends Джош Равіч, керівник відділу машинобудування компанії Ingenuity, — яка була загалом, найважче завдання з усієї місії — зберегти низьку масу». Весь гелікоптер мав важити менше 4 фунтів (1,8 кілограмів), що вимагало використання ретельно відібраних матеріалів, а основне шасі дуже маленьке, будучи кубом 14 см (5,5 дюйма) за розміром.

Проблема ваги також обмежує інші аспекти ремесла: «Ми повинні балансувати між тим, як скільки енергії ви можете мати у формі акумуляторів, щоб запустити автомобіль, і наскільки великими можуть бути ваші леза», – Равіч сказав. Акумулятори потрібні, оскільки енергія збирається за допомогою сонячної панелі на верхній частині автомобіля, що дозволяє йому заряджатися автономно.

Лопаті гелікоптера мають бути великими — вони мають розмах трохи менше 4 футів (1,2 метра), — щоб забезпечити достатню підйомну силу для польоту автомобіля. Щоб зробити леза, які були б достатньо великими та легкими, команда використовувала нові матеріали, зокрема композити, подібні до вуглецевого волокна. Загалом є чотири лопаті, розташовані на двох роторах, кожна з яких обертається зі швидкістю до 2400 обертів на хвилину, що набагато швидше, ніж приблизно 500 обертів на хвилину, характерні для лопатей гелікоптера на Землі.

Проблема холоду

Іншою проблемою, яка потребувала інноваційних матеріалів, була проблема температури поверхні, яка вночі може опускатися до мінус 100 градусів за Фаренгейтом. Коли так холодно, електронні системи працюють ненадійно, і транспортному засобу потрібно витрачати дорогоцінну енергію, щоб залишатися теплим. Тому команда Ingenuity знайшла рішення, використовуючи тонкі шари ізоляції навколо делікатних електронних компонентів автомобіля.

«Зазвичай ви вирішуєте це, поклавши туди багато товстої ізоляції, однак ізоляція досить важка», — сказав Равіч. «Тож ми використали частину самої атмосфери, подібно до того, як качка чи гуска мають шар ізоляції під пір’ям, ми використовуємо газ із марсіанської атмосфери. Якщо ви використовуєте досить тонкі термоковдри, ви можете отримати трохи ізоляції».

Останнім складним питанням, викликаним холодом, є проблема того, як зволожуючі матеріали реагують на низькі температури. «Більшість вертольотів на Землі мають фізичні пружні амортизатори, які піднімають вагу, що надходить у центральну втулку гелікоптера», — сказав він. Ці амортизатори поглинають значні вібрації, викликані лопатями, що обертаються на дуже високих швидкостях. «Але вони не так добре працюють при температурах Марса, тому нам довелося багато розробити, щоб зробити цю систему більш жорсткою».

Автономний дослідник

Неможливо керувати гелікоптером із Землі через кількахвилинну затримку зв’язку між Марсом і Марсом. Натомість Ingenuity буде здебільшого автономним, використовуючи свої датчики для визначення навколишнього середовища та переміщення відповідно.

Для цього завдання він використовуватиме бортові інструменти, включаючи навігаційну камеру, лазерний альтиметр і комплект гіроскопа акселерометра, який називається інерціальним вимірювальним блоком (IMU). Використовуючи ці інструменти, корабель може визначити, куди він прямує та на якій відстані він знаходиться від землі. Він навіть може виявляти небезпеку, щоб уникнути потенційних перешкод на своєму шляху.

Це означає, що техніки на землі дають кораблю план польоту, а потім Ingenuity може його виконати, як пояснив Равіч: «Спосіб управління гелікоптером полягає в тому, що ми введіть план польоту, по суті, траєкторію польоту, кажучи «обертайте лопаті так довго, летіть сюди, оберніться, летіть сюди»… а потім Ingenuity виконує цю послідовність, себе».

Гелікоптер повинен залишатися в радіусі зв’язку з марсоходом, який становить приблизно один кілометр, і в ідеалі повинен мати пряму видимість. Але крім цього, Ingenuity може працювати незалежно і може заряджатися, злітати та приземлятися без будь-якої підтримки марсохода. Планується, що вертоліт буде вирішувати одне завдання за раз, щоб побачити, наскільки він здатний маневрувати навколо планети.

«Ми виконуватимемо серію дедалі складніших місій», — сказав Равіч. «Номінально місія складається з одного-трьох польотів, але це може бути до п’яти польотів залежно від того, як підуть справи… Кожен політ буде трохи складнішим. Перший, ми піднімемося, зависнемо, приземлимося. Другий може піднятися, розвернутися, можливо, трохи поворухнутися, а потім повернутися й приземлитися. Ближче до кінця, якщо справи підуть добре, вони можуть вирішити піднятися, полетіти в той бік і знайти нове місце приземлення та залишити його наступною базою для операцій».

Доведення поняття

Ingenuity не призначена як наукова місія, тому вона не збиратиме наукові дані, хоча експерти сподіваються, що вони зможуть використати частину зібраних даних. Мета місії полягає в тому, щоб продемонструвати, що літати на вертольоті на іншій планеті технологічно можливо, і зібрати інженерні дані, щоб допомогти розробити майбутні вертольоти для Марса.

Це означає, що корабель може пересуватися певною мірою, оскільки йому не потрібно маневрувати в точне місце на поверхні. Корабель, ймовірно, залишатиметься в межах кількох сотень ярдів від марсохода Perseverance, тому він зможе розташуватися відносно нього. «Певною мірою я не думаю, що це надто важливо, наскільки ми точні під час польоту — гелікоптер точно знатиме, де, на його думку, він знаходиться», — сказав Равіч. «З вищого рівня не має великого значення, 10 футів сюди чи 10 футів сюди, коли він приземляється, — якщо він приземляється безпечно».

Допомога з повітря

Якщо концепція Ingenuity працюватиме на практиці, як очікується, гелікоптери можуть стати неоціненною перевагою допомога майбутнім місіям марсоходів, фотографування поверхні та пришвидшення дослідження тощо точні.

Метт Голомбек, ветеран марсіанських наукових місій, який спеціалізується на виборі місць посадки на Марс і який був головним дослідником для першої пропозиції щодо гелікоптера Марса, пояснив Digital Trends, як вертольоти можуть бути корисними для майбутніх досліджень операції.

Заповнення прогалини в роздільній здатності

Одним із найцінніших завдань, яке могли б виконувати майбутні вертолітні місії, було б робити фотографії з високою роздільною здатністю, щоб заповнити так звану «прогалину в роздільній здатності» зображень поверхні Марса. Це відноситься до «різниці між зображеннями найвищої роздільної здатності, які ми маємо з орбіти, які становлять приблизно 25 сантиметрів (приблизно 10 дюймів) на піксель і називаються Зображення HiRISE, у порівнянні з тим, що ви можете побачити на землі під час попередніх місій марсохода, де наша роздільна здатність наближається до 3 сантиметрів на піксель», – сказав Голомбек. «Це приблизно на порядок».

Хоча зображення поверхні планети високої чіткості, зроблені за допомогою інструменту HiRISE, неймовірно детальні, враховуючи, що вони зроблені з орбіти, вони недостатньо детальні, щоб показати структурні особливості землі, як-от оголення, або визначити області наукового інтересу, такі як певні скелі для марсоходів відвідати. Таким чином, марсоходи повинні досліджувати територію, в якій вони приземляються, щоб знайти скелі або інші об’єкти, які науково цікаві для дослідження.

Гелікоптер можна використовувати як розвідник для марсохідних місій, знімаючи більш детальні зображення, ніж ті, які можна отримати з орбіти. Ці зображення можна використовувати для визначення областей особливого наукового інтересу, щоб команда могла відправити марсохід прямо до найцінніших цілей для дослідження.

Розширення зон покриття марсоходів

Одна річ, яку ви можете не усвідомлювати про місії марсоходів, це те, наскільки малу територію охоплює кожен марсохід, оскільки вони мають обмежену потужність для роботи, і кожен їхній рух потрібно ретельно планувати. Perseverance, наприклад, подолає від 3 до 12 миль (5 і 20 кілометрів) у своїй основній місії. А найдальший марсохід на планеті, Opportunity, подолав неймовірні 28 миль (45 кілометрів) за свій 14-річний термін служби. Як би це не було вражаюче для марсохода, який досліджує далеку планету, ці відстані становлять лише частину загальної площі поверхні Марса.

Наприклад, марсоходу можуть знадобитися тижні, щоб подолати кілометр. Тоді як Ingenuity може подолати відстань до одного кілометра всього за 90 секунд, хоча команда не планує запускати вертоліт на такій швидкості під час своєї першої місії. Але майбутні вертольоти зможуть досліджувати набагато більшу територію планети, а зроблені ними зображення будуть безцінні для включення знахідок марсоходів у ширший контекст. Такі зображення допоможуть вченим зрозуміти глобальну геологію планети та підкажуть їм, чи є області, досліджені марсоходом, репрезентативними для більшого марсіанського середовища.

Гелікоптер також може допомогти розширити область дослідження, істотно скоротивши час, необхідний марсоходам для навігації навколо поверхні. Наразі маршрути руху марсоходів визначаються за допомогою доступних зображень із найвищою роздільною здатністю, але ці зображення не завжди показують перешкоди чи небезпеки, тому водіям доводиться рухатися повільно та ретельно.

«Зазвичай максимальна відстань роверів за день становить від 60 до 100 метрів», — сказав Голомбек. «Але якби у вас була ця інформація високої роздільної здатності, вона б підказала вам, де саме безпечний рух шляхи, ви можете подвоїти або потроїти це легко, і таким чином дістатися до пункту призначення набагато швидше».

Пошук місця посадки

Перш ніж марсохід зможе досліджувати, він повинен приземлитися. І процес вибору місця посадки також може виграти від підтримки з повітря.

«Вибір місця посадки — це комбінація характеристик того, наскільки безпечна поверхня для посадки космічного корабля, який ви спроектували та побудували — посадкові апарати не люблять мати під собою великі камені, які можуть проколоти їх або перекинути, круті схили, як правило, не є хорошою річчю, і дуже пухнасті зони, в які ви можете потонути, є поганим вибором, тому є цілий набір того, що ми називаємо інженерними обмеженнями», – сказав Голомбек.

Ці інженерні обмеження також ускладнюються розрідженою атмосферою Марса, оскільки це ускладнює уповільнення транспортних засобів за допомогою парашутів під час приземлення. Тому команді також потрібно враховувати висоту місця посадки, щоб забезпечити безпечну посадку транспортного засобу.

«А потім у вас є наукові цілі, які базуються на корисному вантажі, який ви перевозите, і на Наукові цілі місії — те, що ви хочете дізнатися та дізнатися про Марс», — сказав він на. «І ви повинні зважити всі разом, щоб знайти місце [для посадки], яке є безпечним і цікавим з наукової точки зору для цієї конкретної місії».

Люди, які обирають місця посадки, як-от Голомбек, здебільшого покладаються на зображення, зроблені з орбіти, щоб визначити, які місця відповідатимуть цим критеріям. І найменші відхилення від очікуваного можуть спричинити проблеми, подібні до тих, які виникли у посадкового модуля InSight, який приземлився на Марс у 2018 році. Команді InSight вдалося знайти місце, яке було відповідно рівним і вільним від каміння, і їхні прогнози щодо матеріалів, з яких складається поверхня, були цілком точними. Однак ґрунт під поверхнею, де розташований посадковий модуль, виявився дещо іншим, ніж очікувалося, будучи ущільненим у більш міцний матеріал під назвою тверда кірка. І це спричинило багато проблем у спробах закопайте тепловий зонд посадкового модуля під поверхнею.

«В орбітальних даних, які ви використовуєте, щоб зробити висновок про те, що насправді знаходиться на поверхні, завжди є неоднозначність», — сказав Голомбек. «Загалом, для вибору місця посадки ми дуже добре виміряли та охарактеризували інженерні обмеження — порода достаток, схили тощо — здебільшого тому, що зображення HiRISE мають достатньо високу роздільну здатність, щоб побачити великі камені та вимірювати схили. Але ми були дещо менш точними в розумінні того, що я б назвав геологічною обстановкою. Тобто, як виникла ця територія, які основні геологічні сили її сформували. Це було складніше».

Оскільки зображення, отримані з орбіти, мають обмежену роздільну здатність, важко побачити деталі які необхідні для найточнішої ідентифікації цілей, що представляють науковий інтерес, таких як окремі осадові породи породи. Наявність зображень із набагато вищою роздільною здатністю, таких як ті, які можна було б зняти гелікоптером, було б неоціненним вибираючи місця посадки, які були б безпечними для транспортних засобів і максимізували шанси зробити важливі наукові дії висновки.

Гелікоптери можуть навіть нести різного роду інструменти, такі як георадар, який міг би прямо повідомляти вченим про те, що ховається під поверхнею Марса.

пов'язані:Грунтопроникаючий радар для бетону

Полювання на життя зверху

Однак вертольоти можуть використовуватися не тільки для підтримки інших місій. Така машина потенційно може бути обладнана будь-яким типом камери, як-от радіолокаційні, інфрачервоні або тепловізори, які можуть виявити склад і мінералогію марсіанського ґрунту.

Це важливо, оскільки ці інструменти можуть ідентифікувати певні мінерали, такі як глина, які утворюються за наявності води. Області з високою щільністю цих глинистих мінералів є ключовими цілями для дослідження їх наявності колись могло бути життя на Марсі.

Одними з найцікавіших об’єктів для дослідження вчених є уступи або круті скелі, утворені ерозією, оскільки вони розкривають шари гірських порід, які утворилися з часом. Дивлячись на ці шари, схоже на огляд назад в історію Марса. Однак, оскільки вони круті та скелясті, ці райони важко досліджувати для марсоходів, і вони повинні рухатися дуже обережно. Марсохід Opportunity, наприклад, витратив цілий рік, ретельно об’їжджаючи край одного такого укосу. щоб відобразити його, тоді як «такі зображення можна було отримати за пару днів на вертольоті», Голомбек сказав.

Коли його запитали, чи є конкретне місце на Марсі, яке він особисто хотів би дослідити за допомогою гелікоптерів, Голомбек розсміявся. «Там сотні — тисячі!» він сказав. «Площа поверхні Марса схожа на відкриту поверхню Землі над водою. Подумайте про відмінності між Великим Каньйоном і Гімалаями, між прибережними зонами та внутрішніми районами. Є так багато різних місць, які можуть розповісти вам цікаві речі».

Інструменти в наборі інструментів Martian

Обидва експерти погодилися, що майбутнє дослідження Марса — це не питання гелікоптерів чи марсоходів, а радше використання обох за потреби для різних завдань.

«У душі я інженер, тому для мене всі вони — інструменти в наборі інструментів», — сказав Равіч. «Для таких атмосферних тіл, як Марс, будуть вагомі докази того, що літальний апарат є відповіддю на все, що ви хочете зробити. Якщо ви хочете спуститися у велику діру, як-от каньйон, або якщо ви хочете піднятися на гору, це буде найкраща відповідь. Але завжди є обмеження щодо того, що ми можемо перевозити — ось чому птахи такі легкі, а слони — ні — тож ви завжди зможете робити більше науки та перевозити більше за допомогою [наземного] транспортного засобу».

Потреба в різних типах транспортних засобів стає ще більш зрозумілою, коли люди починають планувати майбутні пілотовані місії на Марс. «Нам, мабуть, теж знадобляться обидва», — сказав Равіч. «Якщо подивитися на людей сьогодні, ми взаємодіємо з наземними та повітряними транспортними засобами, і я не бачу, щоб це змінилося».

Рекомендації редакції

• Космологічне переміщення: хитра логістика відправлення людей на Марс
• Штучні атмосфери: як ми побудуємо базу з придатним для дихання повітрям на Марсі
• 7 хвилин жаху: опис божевільної послідовності посадки Perseverance на Марс
• Марсіанський пил є великою проблемою для астронавтів. Ось як NASA бореться з цим
• Як NASA Perseverance Rover шукатиме життя на Марсі