Швидше, вище, сильніше: яким буде наступний марсіанський вертоліт?

Марсіанський вертоліт Ingenuity тепер готується до свого 14-го польоту в кратері Езеро на Марсі, що на 13 польотів більше, ніж було потрібно NASA для визнання цього експерименту успішним. Ingenuity довів, що політ на Марсі не тільки потенційно можливий, але і реалізуємо на практиці, а також здатний принести відчутну наукову користь – і це вельми непогано для апарату, який взагалі не був призначений для досліджень.

Тепер все питання в тому, як вражаючі досягнення Ingenuity вплинуть на майбутню стратегію NASA з дослідження Марса.

Виявляється, космічне агентство вело роботу в цьому напрямку задовго до того, як Ingenuity приземлився на Червоній планеті. Близько трьох років тому, коли етап його розробки та тестування підходив до завершення, а дата запуску марсохода Perseverance ставала все ближче, робототехніки з Лабораторії реактивного руху (JPL), Дослідницького центру NASA ім. Еймса і компанії AeroVironment (яка допомогла в розробці Ingenuity) почали опрацьовувати концепти марсіанського вертольота наступного покоління. Як можна ефективно масштабувати майбутній апарат, використовуючи напрацювання по його попереднику? Які наукові інструменти він міг би мати на борту? Які місії можна було б виконати за допомогою цього вертольота?

Результатом став Mars Science Helicopter (MSH) – 30-кілограмовий гексакоптер, здатний виконувати унікальні наукові дослідження на поверхні планети без підтримки марсохода.

Ключовим елементом в підході JPL до проєктування апарату була необхідність надати якомога більше можливостей для наукової спільноти, пояснює Боб Баларам, головний інженер JPL і один з авторів офіційного документа, присвяченого MSH. Це означало опрацювання різноманітних розмірів апарату і концепцій його ймовірних місій. «Ingenuity може бути як збільшений в розмірах, так і зменшений, – каже нам Баларам. – Ми могли б зробити його ще менше, перетворивши в розвідника. Або, навпаки, масштабувати до повнорозмірного автономного вертольота. Є й проміжні варіанти, можливо, щось вагою близько 5 кілограмів, щоб він збирав зразки з віддалених ділянок і доставляв їх назад на посадковий модуль для аналізу ». Лабораторія реактивного руху надала планетологам цей набір різних концепцій марсіанських вертольотів, попросивши їх уявити, які нові дослідження можуть бути виконані кожної з платформ. І тут дійсно є над чим поміркувати.

Дослідження Марса з висоти пташиного польоту

«Це абсолютно новий погляд на Марс, – говорить Баларам. – Літальний апарат має безліч переваг: наприклад, дальністю польоту і дозволом камер для аерофотозйомки. Також ви можете дістатися до місць, недоступних для колісного транспорту. Ви зможете пролітати кілька кілометрів щодня. І в залежності від того, на якій висоті ви летите, вам доступно будь-який дозвіл знімків, зроблених за допомогою приладів на борту апарату. Ми просто говорили вченим: думайте масштабно! »

Ось приклади вигадок вчених у вигляді двох потенційних місій для майбутнього вертольота.

Долина Мавра: пошук життя в важкодоступних місцях

Швидше, вище, сильніше: яким буде наступний марсіанський вертоліт?
Одна з версій MSH може робити знімки і збирати зразки зі стін кратера, недоступних для наземних роботів.

Долина Мавра – це величезний проточний канал довжиною 640 кілометрів, в якому приблизно 3,5 мільярда років тому могли перебувати річки, озера і болота. На Землі мінерали, виявлені в подібних місцях, зберігають органічні речовини. Ця передбачувана місія буде складатися з посадкового апарата і невеликого вертольота, що використовує співвісну конструкцію з двома несучими гвинтами, аналогічну застосовуваної в Ingenuity. Вертоліт буде досліджувати перспективні місця на великій території, а потім використовувати маніпулятор і мікробур, щоб доставити зразки назад на посадковий модуль, що володіє всіма необхідними науковими інструментами, включаючи апаратуру для мікрос’емки та прилад для виявлення життя. І якщо її дійсно знайдуть на Марсі, забір проб з вертольота допоможе захистити цю життя від потенційного забруднення.

Кратер Миланковича: картографування підповерхневого водяного льоду

Швидше, вище, сильніше: яким буде наступний марсіанський вертоліт?
Гексакоптерная версія MSH зможе картографувати підземний водяний лід на великій площі, а також збирати дані з нижніх шарів атмосфери, які важко виміряти з поверхні планети або орбіти.

Вважається, що у високих північних широтах Марса знаходиться значна кількість подповерхностного водяного льоду. Це важливо для розуміння кругообігу води та історії клімату Марса, а також тому, що подібний лід потенційно зможе забезпечити киснем для дихання і ракетним паливом майбутні пілотовані місії. Створення точних карт подповерхностного льоду з орбіти є складним завданням, але версія MSH у вигляді великого гексакоптера, оснащеного нейтронним спектрометром, інфрачервоною камерою і метеорологічними приладами, зможе надати дані дуже високою роздільною здатністю, що охоплюють досить велику територію.

В рамках ймовірних сценаріїв цієї місії, можливо, найбільш вражаючим потенційним застосуванням запропонованого літального апарату, є контактна взаємодія з важкодоступними поверхнями, тобто взяття в польоті зразків гірських порід або ґрунту з областей, які марсохід (і, можливо, навіть людина) ніколи не зможе досягти, наприклад, прямо з прямовисної скелі. «Здатність утримувати вертоліт біля стіни скелі не є проблемою для комп’ютерного зору, – каже Баларам. – Тому постає інше питання: що ж ми зможемо використовувати в якості маніпулятора для взяття проб? Можна уявити собі щось на зразок пенетратора з намотувальним пристроєм. Дрон стріляє невеликим снарядом, який врізається в стіну скелі, а потім намотується назад разом з узятим зразком. Або, можливо, ви знайдете зелену слиз, яку хочете зібрати, і вистрілите в неї чимось липким, наприклад, липучкою для мух. Це та наука, якої ми потенційно можемо займатися ».

Серйозна інженерна робота

Швидше, вище, сильніше: яким буде наступний марсіанський вертоліт?
Кожен з роторів Mars Science Helicopter розміром з ротор Ingenuity. Баларам описує MSH як «шість Ingenuity в одному».

Хоча наукове навантаження MSH все ще до кінця не визначена, Баларам каже, що концепція самого транспортного засобу не просто картинка – це плід серйозної інженерної роботи. Конструкція гексакоптера, показаного на зображенні вище, досить добре продумана. У Лабораторії реактивного руху розглядали можливість простого масштабування Ingenuity і перетворення MSH в більший вертоліт співвісні схеми. Але Баларам зазначив, що були деякі проблеми з керуванням, які, хоча і не є нерозв’язними, але все ж роблять конструкцію гексаротора більш привабливою.

Нинішній концепт MSH передбачає, що вертоліт буде мати масу близько 31 кілограма і загальний діаметр трохи більш як чотири метри, з шістьма роторами, кожен з четвіркою лопатей по 0,64 метра. Корисне навантаження в 5 кілограмів перетворює MSH в, як виражається Баларам, вельми привабливий апарат для розміщення наукових інструментів. MSH матиме максимальну швидкість близько 30 м / с, час зависання в п’ять хвилин або ж дальність польоту до 10 кілометрів, а встановлена ​​зверху сонячна панель зможе заряджати його батареї протягом одного марсіанського дня. Такий радіус і швидкість польоту означають, що за кілька днів MSH зможе подолати таку ж відстань, яке марсохід Curiosity проїхав за роки. JPLсо своїми партнерами також опрацювали такі речі, як дизайн лопатей, технології виготовлення апарату і то, як MSH буде складатися всередині посадкової капсули для входу в атмосферу, спуску і самої посадки. Є навіть концепція розгортання вертольота прямо в повітрі під час приземлення на Марс, що дозволить уникнути додаткових витрат на спеціальний посадковий модуль складної конструкції.

Швидше, вище, сильніше: яким буде наступний марсіанський вертоліт?
MSH може складатися, щоб поміститися усередині посадкової капсули тієї ж конструкції, яка використовувалася для місії Mars Pathfinder.

Оскільки велика частина роботи над MSH проводилася до того, як Perseverance та Ingenuity здійснили посадку на Марсі, команда, зайнята в цьому проєкті, дізналася багато нового про функціонування гвинтокрилих машин в атмосфері нашого червоного сусіда завдяки Ingenuity. Це вплинуло на дизайнерські рішення, що застосовуються в МSH. «Найбільшою невизначеної змінної було питання про те, наскільки ми можемо покладатися на зображення з орбітальних апаратів при виборі місця посадки», – каже Баларам. Ingenuity довів, що такі зображення насправді досить гарні для цього, і навіть з урахуванням їх відносно низького дозволу можна знайти досить надійні та безпечні місця для посадки. Це означає, що MSH може не знадобитися настільки складна система виявлення небезпек для виконання автономних посадок, як у свого попередника, що тягне спрощення конструкції й економію маси. Досвід Ingenuity також дав команді MSH більше впевненості в польотах у вітряну погоду. «Що стосується ефективності управління, то Ingenuity перевершив наші очікування, – розповідає Баларам, підбиваючи до того, що технічні характеристики MSH можуть бути трохи більш консервативними. – Сенс в тому, щоб трохи спростити апарат, тому що деякі зі складних проблем, яких ми побоювалися, ймовірно, не настільки складні, як ми думали раніше. Так що цей такий цінний досвід використовується при проєктуванні нашого наукового вертольота ».

Ingenuity також показав, як сучасне комп’ютерне обладнання та програмне забезпечення можна використовувати в космічних апаратах. Його статус демонстраційної технології означав, що в JPL могли бути трохи більш креативними, ніж зазвичай: Ingenuity обладнаний процесором Qualcomm Snapdragon 801 під управлінням Linux, що дало маленькому вертольоту в 150 разів більше обчислювальної потужності, ніж у марсохода Perseverance. Баларам хоче скористатися успіхом Ingenuity, щоб використовувати той самий підхід і з MSH: «Одна з речей, які ми продемонстрували з його допомогою, полягає в тому, що навіть попри те, що це був по суті лише демонстратор технології, ми все ж змогли створити потрібний ступінь надмірності за допомогою продуманої обчислювальної архітектури. Уявіть використання процесорів, які можуть бути трохи більш уразливими з точки зору захисту від випромінювання, але які використовують систему голосування для прийняття рішень і три з яких запускаються паралельно. Це дає нам можливість поміркувати про те, як ми хочемо виконувати обчислення, які не вимагають використання громіздкого обладнання з 90-х – такий підхід все ще консервативний, але не обов’язково передбачає проходження застарілими лекалами. І немає ніякої фундаментальної причини, по якій такі речі не можуть бути реалізовані в вертольотах наступного покоління ».

Досягаючи поставлених цілей

Зараз марсіанська програма NASA зосереджена на поверненні зразків ґрунту. І хоча подібний вертоліт цілком здатний зіграти унікальну і досить важливу роль в цій справі, це ні в якому разі не очевидний вибір. Якщо NASA не вирішить, що вертольоти на Марсі – це дійсно кращий варіант, і не буде фінансувати MSH безпосередньо, наступний подібний апарат повинен буде пройти через конкурентний процес, в якому потенційна наукова користь зіставляється з вартістю, складністю і ризиком. За словами Баларам, в цей момент концепція MSH досить зріла для широкого кола потенційних наукових місій; наступним кроком буде її оптимізація під сценарій конкретного завдання з урахуванням місця посадки, пори року, загальних її цілей і обмежень.

Якщо ж ідея місії по запуску флагманського вертольота на Марс здається надуманою, важливо пам’ятати, що перший марсохід NASA також був всього лише невеликим демонстратором технологій: мова йде про Sojourner. При початковій тривалості місії в сім марсіанських днів, апарат залишався активним протягом 83 діб і допоміг NASA отримати досвід і впевненість, необхідні для вирушення на Червону планету спочатку марсоходів Spirit і Opportunity, а потім і Curiosity з Perseverance.

Як і Sojourner, Ingenuity насправді є лише невеликий демонстрацією можливостей наукового вертольота, і Боб Баларам вважає, що ця концепція себе виправдала. «З урахуванням його високу ефективність, я сподіваюся, що NASA дасть нам можливість взаємодіяти з Марсом зовсім по-новому за допомогою MSH, – каже Баларам. – Ми протестували можливість польоту в атмосфері Марса. Ми приземлилися в декількох місцях і трохи політали туди та сюди. Але перевірмо нашу уяву й уявімо, що ми могли б зробити, якби у нас був доступ відразу до всієї планети – чого б ми могли досягти? Це справжнісінький виклик для всіх нас – спробувати втілити в життя наші мрії ».