Вертолет на Марсе

20 июля 2020 года NASA планирует отправить к Марсу ровер “Настойчивость” (Perseverance) с прикрепленным к его днищу экспериментальным вертолетом “Изобретательность” (Ingenuity). Лаборатории на колесах космическое агентство посылало к другим мирам и раньше, а вот вертолет — впервые. Ученые говорят, что в случае успеха миссии, американские инженеры совершат своего рода революцию в исследовании космоса: появится новый тип роботов, который сможет изучать планеты и их спутники с высоты птичьего полета. 

«Вертолет на Марсе — это все равно как триумф братьев Райт, но только на другой планете», — говорит Мими Аунг, руководитель проекта

Вертолет Ingenuity

Марсианская атмосфера разрежена, ее плотность составляет всего 1% от плотности земной, если на Земле кубометр воздуха весит около килограмма, на Красной планете этот же объем будет весить 15-18 граммов. На Земле, чтобы вертолет взлетел, нужен мощный поток воздуха, на Марсе этого не будет: Ingenuity сможет подняться в марсианскую атмосферу и оставаться там, только если аппарат будет быстро вращать лопасти. Частота вращения лопастей составит 2300-2900 оборотов в минуту (40-48 раз в секунду), для сравнения, средняя частота вращения винта вертолета на Земле 500 оборотов в минуту (8 раз в секунду). 

«Есть ограничения, нельзя, чтобы край винта двигался быстрее скорости звука, иначе начнутся аэродинамические проблемы: появятся трансзвуковые течения, околозвуковые потоки и так далее. Поэтому в расчетах для движения края винта мы закладываем число Маха ниже 0,7, или 70% от скорости звука», — объясняет Боб Баларам, инженер NASA 

Главное преимущество полета на Марсе — в гравитации, составляющей 38% от земной. Несмотря на такой показатель, инженеры должны были спроектировать аппарат, который бы по своей массе не превышал определенных параметров, для успеха миссии было важно, чтобы Ingenuity получился достаточно легким.

Фото: NASA / Испытания марсианского вертолета в вакуумной камере в Лаборатории реактивного движения NASA в Пасадене, февраль 2019 года

«Общая масса аппарата менее 1,8 килограмма. Длина несущих винтов чуть больше 1 метра, — поясняет Мими Аунг. — Лопасти выполнены из пенокартона, покрытого углеродным волокном, каждая лопасть весит 35 граммов»

Ingenuity сможет подниматься в воздух на высоту до 5 метров и оставаться там на протяжении 1,5 минут, за один марсианский день он сможет преодолевать расстояние до 300 метров. Энергией аппарат обеспечит солнечная батарея, которую будут заряжать литий-ионные аккумуляторы: так как аппарат должен будет выдерживать ночные марсианские температуры от -80℃ до -100℃, основная энергия будет уходить не на полет, а на обогрев и разогрев элементов вертолета.

Как все начиналось

До 1996 года все аппараты, отправленные на поверхность Марса, представляли собой неподвижные станции. Но в 1996 году в рамках программы по изучению Красной планеты Mars Pathfinder космическое агентство США отправило к соседу Земли нечто революционное: робота Sojourner на шести колесах. Этот марсоход был размером с небольшой шкаф, его длина составляла 0,7 метра, высота 0,3 метра, ширина 0,5 метра. После этой миссии к Марсу полетели другие аппараты на колесах, гораздо больше и технически совершеннее: Spirit и Opportunity, опустились на поверхность Марса в 2004 году; затем Curiosity, совершил мягкую посадку на Марс в 2012 году.  

Способность ровера передвигаться по поверхности дает огромное преимущество перед неподвижными станциями. Марсоходы на колесах могут смотреть не “в одну точку”, а в разных направлениях, кроме того, эти роботы способны подъезжать к интересующим ученых объектам и исследовать их с разных сторон. Благодаря этим подвижным машинам специалисты смогли понять, как выглядел ранний Марс: оказалось, что сухая и холодная Красная планета была такой не всегда, в далеком прошлом на Марсе текли реки, это был мир, потенциально пригодный для жизни.

В свое время Sojourner произвел революцию в исследовании Марса, нечто подобное совершит и Ingenuity.  

Фото: NASA / Участники проекта, слева направо тестировщик Тедди Тзанетос, руководитель проекта Мими Аунг, инженер Боб Баларам

В предстоящей миссии ученые проверят дрон на устойчивость полета в разреженной атмосфере. Ingenuity — это испытательный экземпляр, NASA необходимо протестировать его на Красной планете, чтобы в будущем на его основе разработать более совершенные вертолеты для воздушной разведки на планетах и спутниках Солнечной системы. 

Статья по теме: Как новый марсоход NASA будет искать жизнь на Красной планете

Идея создать вертолет для Марса появилась у ученых в начале 1990-х годов. 

«Больше двадцати лет назад мы построили некий прототип марсианского вертолета. Провели несколько испытаний, но ничего не вышло, и мы отложили идею в долгий ящик на шесть-семь лет», — вспоминает инженер NASA Боб Баларам

Инженер объясняет, что в то время еще не было технологий, которые бы позволили воплотить эту идею в жизнь, поэтому ученым пришлось ждать. 

«В конце прошлого века мы еще не имели ни миниатюрной электроники, ни таких же аккумуляторов, не было и материалов, которые бы позволили создать прочные и легкие лопасти», — поясняет Мими Аунг, руководитель проекта Ingenuity

Чтобы воплотить Ingenuity в жизнь, ученым потребовались годы проб и ошибок.

Прототип марсианского вертолета инженеры построили в конце 2014 года, тогда же его испытали в специальной камере, симулирующей марсианскую атмосферу. В то время для аппарата программисты еще не разработали программное обеспечение, позволяющее вертолету летать в автономном режиме, поэтому его испытывали при помощи джойстика.

Оказалось, что управлять с джойстика прототипом практически невозможно.

«Если мы пытались сделать крен влево, когда аппарат заносило вправо, между командой и ее исполнением проходило время, из-за этой задержки управлять вертолетом становилось сложно», — объясняет Тедди Тзанетос, тестировщик NASA  

К январю 2018 года прототип Ingenuity обновили, установили батареи, процессор Qualcomm Snapdragon, аналогичный процессорам, встроенным в мобильные телефоны, систему связи, сенсоры и датчики, а также разработали для вертолета программное обеспечение.

Новую версию Ingenuity необходимо было испытать в условиях марсианской атмосферы и марсианской гравитации. Для этого ученые должны были создать марсианскую среду на Земле. 

«Так как гравитация на Красной планете составляет 38% от земной, нам нужно было добиться того, чтобы вертолет поднимал лишь 38% своей массы, — говорит Тедди Тзанетос. — Для этого мы использовали специальную катушку, электродвигатель постоянного тока, датчик крутящего момента и блок, закрепленный под потолком, который тянул вертолет за рыболовную леску с нужной силой. Так мы получили необходимую гравитацию» 

Во время испытаний в 2018 году прототип Ingenuity взлетел, с ним не возникло никаких проблем.

«Вертолет может летать автономно благодаря встроенным гироскопам, акселерометрам, камере, высотомеру и датчику наклона. Все эти инструменты будут работать в реальном времени: снимать поверхность, замерять скорость и положение вертолета, — говорит Мими Аунг. — Оценка состояния в реальном времени производится непрерывно, данные постоянно поступают в систему обратной связи, чтобы корректировать наклон лопастей и контролировать полет»

Когда вертолет окажется на Марсе

Через 6 месяцев после испытаний Ingenuity Nasa разрешило включить вертолет в миссию Mars 2020 и отправить его на Красную планету вместе с марсоходом Perseverance. Летательный аппарат уже прикреплен к днищу марсохода под специальным защитным щитом и ожидает отправки.

Фото: NASA / Установка вертолета на марсоход Perseverance

Примерно через два месяца после того, как марсоход совершит мягкую посадку, начнутся испытания Ingenuity. Сперва ровер найдет подходящее ровное место, затем вертолет “выгрузится” на поверхность. После этого Perseverance отъедет на 100 метров и через два часа пошлет вертолету радиосигнал, чтобы установить с ним связь.

За 30 земных дней аппарат совершит пять полетов, каждый продолжительностью до 1,5 минут. 

Во время первого полета вертолет поднимется на 1-2 метра и зависнет в воздухе на 30 секунд, сделает селфи и затем опустится вниз. Оставшиеся рейсы будут продолжительнее, аппарат начнет подниматься выше и станет летать дальше. В ходе последнего полета Ingenuity поднимется на 5 метров, пролетит 150 метров и вернется к месту, откуда стартовал, там он и останется. Как только полеты завершатся, марсоход отъедет от летательного аппарата и приступит к основным исследованиям.

Мими Аунг говорит, что технологию, используемую в Ingenuity можно адаптировать для более крупных вертолетов, весом до 13,5 килограммов. 

«На таких судах можно разместить более совершенные научные инструменты и увеличить количество камер, на Ingenuity их будет две: черно-белая, обращенная вниз, для отслеживания положения вертолета; и цветная для фотографирования марсианских пейзажей», — заключает ученый

При подготовке материала автор использовал следующие ресурсы:

— статью Mars Is About to Have Its ‘Wright Brothers Moment, опубликованную в The New York Times;

— научно-популярный видеоролик “Первый полет на Марсе” с youtube канала Vert Dider.

Друзья, спасибо, что уделили время этому материалу!

Если вам понравился материал, вы можете поддержать нас донатом. Деньги пойдут продвижение проекта в соцсетях и оплату труда журналистов.

О новых публикациях на сайте вы можете узнать из наших групп в соцсетях. Подписывайтесь: Вконтакте, Twitter, Одноклассники, Facebook, Telegram

У нас выходят и материалы, которые мы не публикуем на сайте, а размещаем на каналах. Заходите и читайте: Яндекс Дзен и Instagram

Нашли ошибку? Пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите ее и нажмите Ctrl+Enter

Источник: The New York Times

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: