Марсолёт Ingenuity — удивительный научный инструмент, который «смог». Что именно? Во-первых, он доказал саму возможность совершения полётов в атмосфере другой планеты. Соответственно, теперь NASA разрабатывает «наследников» этого вертолётика, которые, если всё пойдёт гладко, тоже смогут исследовать другие планеты. Об этом поговорим в статье.
Во-вторых, он позволил подтвердить необязательность установки сверхзащищённого оборудования на системы, которые работают вне Земли. Конечно, это не всегда возможно, но в ряде случаев — да. А ещё Ingenuity оснащён весьма современным «железом», способным дать фору практически всем космическим аппаратам недалёкого прошлого. Подробности — под катом.
Что там с производительностью
О том, сколько Ingenuity совершил полётов и какие открытия сделал, сегодня говорить не будем, лучше обсудим особенности компьютерной системы устройства, да и не только это. Всё дело в том, что инженеры были ограничены свойствами атмосферы Марса — она гораздо более разрежена, чем земная, а значит и масса вертолётика тоже должна быть очень небольшой. В итоге Ingenuity весит менее 2 кг.
И это при том, что летательный аппарат включает лопасти, аккумуляторы, компьютер, ряд датчиков и камер, опоры, солнечную панель. О вычислительном модуле стоит упомянуть отдельно. Обычно в роверы и космические телескопы устанавливают RAD750, который сам по себе небольшой, для Марса нужно было ещё меньше. Масса его — около 1 кг, что при ограничениях в 2 кг общей массы вертолётика — предел желаний.
Достоинство RAD750 в том, что он может работать в самых сложных условиях. Вот что говорит нам «Википедия»: «RAD750 — радиационно устойчивый одноплатный компьютер на базе одноимённого процессора, производится BAE Systems Electronic Solutions (США). Является преемником RAD6000 и применяется в средах с повышенной радиоактивностью, таких как спутники и космические аппараты. Представлен в 2001 году, а первое использование в космосе датируется 2005 годом. Базируется на архитектуре семейства процессоров PowerPC 750 производства IBM».
Чип выпускается в корпусе CGA (360 штырьковых контактов), имеет 10,4 млн транзисторов (против 1,1 млн у RAD6000) и производится по 250- или 150-нм технологии. Площадь кристалла составляет 130 мм². Имеет частоту ядра от 110 до 200 МГц с производительностью от 266 до 400 MIPS. Кэш первого уровня — 8-канальный, 32 Кб для данных, 32 Кб для инструкций. Кроме того, имеет возможность подключения внешнего кэша второго уровня объёмом до 1 Мб. Потребляет 5 Вт энергии. Может выдержать от 200 000 до 1 млн рад, диапазон рабочих температур — от −55 °C до 125 °C. Стандартная одноплатная система RAD750 в составе самого процессора и материнской платы потребляет 10 Вт энергии, может выдержать 100 000 рад, температурный диапазон — от −55 °C до 70 °C.
Аппараты, которые им оснащены:
Deep Impact, январь 2005, первое внедрение RAD750
Mars Reconnaissance Orbiter
XSS 11
Fermi Gamma-ray Space Telescope (GLAST), 2008
пара RAD750 на спутнике ДЗЗ WorldView-1 (часть программы NextView Национального агентства геопространственной разведки), 2007
телескоп Kepler, 2009
Lunar Reconnaissance Orbiter, 2009
Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), 2009
Solar Dynamics Observatory, 2010
Juno, 2011
марсоход Curiosity, 2011
Landsat 8, 2013
MAVEN, 2013
марсоход Perseverance, 2020
космический телескоп «Джеймс Уэбб», 2021
Что получил наш вертолётик? Процессор Qualcomm Snapdragon 801, который устанавливался в смартфоны года эдак с 2015. При этом компьютер Ingenuity сразу стал самым производительным среди всех аппаратов вроде роверов и космических телескопов. «Процессор Ingenuity в 100 раз мощнее, чем у любых систем, которые JPL отправило в глубокий космос, вместе взятых. Это означает, что если сложить всю вычислительную мощность, которая была задействована в ходе крупных миссий NASA за пределами околоземной орбиты, от “Вояджера” до “Юноны”, от “Кассини” до космического телескопа “Джеймс Уэбб”, производительность крошечного чипа Ingenuity будет более чем в 100 раз выше", — заявили в агентстве.
Разработчикам удалось изрядно сэкономить. Если стоимость RAD750 составляет около $250 000, то чип Qualcomm Snapdragon 801 в лучшем случае стоит несколько долларов США. Более того, внутри аппарата установлены литиевые батареи, вполне обычные, а не сверхзащищённые. И это при том, что на Марсе очень большая волатильность температур — от –90 °C до 20 °C.
Инженеры создали если не технологическое совершенство, произведение научного искусства, то близко к тому. Радиационное излучение не уничтожило компьютер Ingenuity, а температурные колебания — аккумуляторы. В течение очень долгого времени нормально работало всё — авионика, датчики, камеры. Единственное, с чем возникла проблема, как известно, — лопасти, но здесь никто не виноват, вертолётик и так проработал гораздо дольше, чем планировалось.
Так что теперь, учитывая полученный опыт и знания, инженеры и учёные смогут проектировать более лёгкие и современные устройства, которые будут производительнее и функциональнее всего, что было до этого. Это очень облегчает работу специалистов, которые проектируют «наследников» Ingenuity, и заодно делает будущие миссии не такими дорогими.
А что там с новыми миссиями?
Их немало. Сейчас NASA и другие организации разрабатывают новые проекты летательных аппаратов для Марса и прочих планет и их спутников. Так, например, группа китайских учёных под руководством Бянь Чуньцзяна из Национального космического научного центра (NSSC) в Пекине разрабатывает вертолёт для полётов на Марсе.
Конструкция нового марсолёта похожа на устройство предтечи — всё те же два набора лопастей на одной мачте ротора для обеспечения подъёмной силы при вертикальном взлёте и посадке в разрежённой марсианской атмосфере. Но он несколько больше, кроме того, по замыслу китайских инженеров, аппарат сможет летать на высоте 5-10 м, достигая скорости около 300 м в минуту, с возможной продолжительностью полёта в 3 минуты.
Скорее всего, китайский летательный аппарат будет сопровождать китайский же марсоход, который отправят на Красную планету в 2028 году.
Что касается NASA, то американское агентство разрабатывает систему, которая в целых 6 раз больше предшественника. Масса нового устройства составит 30 кг. Оно будет работать без привязки к марсоходу, используя собственный манипулятор и микробур, чтобы доставить образцы обратно на посадочный модуль.
Гексакоптер займётся поисками подземного водного льда на большой площади, а также будет собирать атмосферные данные из нижних слоёв газовой оболочки Марса, которые трудно измерить с поверхности или орбиты. Кроме того, система сможет прямо в полёте брать образцы грунта — например, со стенок кратеров.
И это лишь Марс, научные организации разных стран планируют отправить летательные аппараты и на другие планеты и спутники Солнечной системы. Например, Венеру и Титан. По словам Мелиссы Трейнер, заместителя руководителя исследовательской группы по подготовке миссии «Драгонфлай», Титан — идеальное место для летательных аппаратов тяжелее воздуха. Просто в силу того, что там низкая гравитация и плотная атмосфера.
Правда, из-за облачного покрова на Титане не так много солнечной энергии. Но это поправимо — благодаря размерам (гораздо больше марсолёта) «Драгонфлай» сможет нести разработанную NASA мощную атомную батарею.
Что касается Венеры, то эта планета одновременно и подходит, и не подходит для полётов. Положительный момент в том, что атмосфера там гораздо плотнее земной, примерно в 90 раз, так что аппарат может быть реально большим. Отрицательный же заключается в том, что температура поверхности Венеры составляет +475 градусов Цельсия, а давление — 93 бара, что примерно соответствует полуторакилометровой глубине океана.
Возможно, учёные запустят на Венеру что-то вроде самолёта на солнечных батареях, который будет продолжительное время летать над облаками, а не коптер. Там и температура не такая высокая, и атмосфера гораздо менее агрессивная. Планируется также использовать двигатель Стирлинга, преобразующий внешнее тепло в электричество.
Но что бы мы ни увидели в будущем, ясно одно — маленький вертолётик Ingenuity проделал поистине колоссальную работу для всего человечества.