Вертолет «Индженьюити» на поверхности Марса. Источник фото: бортовая камера Mastcam-Z на марсоходе «Персеверанс». На солнечной панели уже есть марсианская пыль. Штатного механизма ее расчистки в режиме стоянке не предусмотрено.8 апреля 2021 года главный оператор марсианского вертолёта «Индженьюити» Ховард Грип (Håvard Grip) рассказал изданию IEEE Spectrum о подготовке к первому полету мультикоптера на другой планете и проблемах проекта, которые возникли на Земле во время различных испытаний.
Грип пояснил, что его работа — это управление системой управления полетом, чтобы вертолет делал то, что хочет НАСА, но сам.
Сотрудник лаборатории реактивного движения NASA (Jet Propulsion Laboratory, JPL) в процессе подготовки к этой миссии провели несколько сотен тысяч симуляций, чтобы быть уверенными, что вертолет сам справиться со всеми трудностями и выполнит хотя бы часть из заложенных в его программу полетов. Размещение БПЛА на Марсе делает невозможным ручное или даже контролирующее управление из-за большой временной задержки (от 11 до 24 минут).
Основная проблема, с которой столкнулись в НАСА — воспроизведение условий марсианской атмосферы для маленького 1,8 кг вертолета. Лаборатория реактивного движения рассчитывала различные инженерные модели поведения БПЛА в марсианских атмосферных условиях. НАСА использовало специальный трос, чтобы имитировать гравитацию Марса, запускала вертолет в барокамере, но нет никакого способа точно узнать, как именно все пройдет, пока не будут получены реальные данные с Марса.
Грип рассказал, что в JPL разработали симуляцию вертолета Марса на основе системы многотельного моделирования, которая также была разработана в JPL — это проект под названием DARTS/DSHELL. Эта система разрабатывалась в JPL около 30 лет и использовалась в ряде космический миссий.
Сначала сотрудники JPL смоделировали новую систему ротора и несколько аэродинамических решений, в ходе разработки которых им помогали специалисты по винтокрылым аппаратам из NASA Ames и NASA Langley.
На создание первого боевого прототипа с полноразмерным ротором ушло несколько месяцев. Потом начались первые тесты в барокамере. НАСА разработало несколько тестов для проверки первых наработок JPL по вертолету. Причем эти испытания проводились до того, как JPL начали работать с системой управления вертолетом. Первоначальный план был такой — понять возможности системы, выяснить истинные свойства полученной в реальности модели, ее динамику по сравнению с тем, что было в расчетной среде. Потом прототип вертолета претерпел несколько изменений, пока не обрел текущую форму.
После принятия окончательной формы вертолета начались испытания его системы управления. Специалисты JPL обучали БПЛА взлетать с различной поверхности, использовать бортовую навигационную камеру, управлять полетом автономно. Эти тесты проводились многократно, причем совместно с симуляциями, где НАСА их отрабатывало до тысячи раз подряд, набирая новые данные для статистики в тех частях миссии, где еще была большая неопределенность.
НАСА моделировало: шум, ветер и его вариации, срывы изображения камеры, различные помехи в атмосфере, движение по пересеченной местности, отказ части датчиков, работу датчиков за пределами их возможностей, аварийную посадку без разрушения вертолета на неровную поверхность.
В процессе проведения испытаний НАСА обнаружило, что динамика ротора была совершенно иной для вертолета на Марсе, в частности, в отношении того, как ротор реагирует на изгиб лопастей вверх и вниз, потому что они не были совсем жесткими. Это движение очень важно при полете и влияет на общую динамику вертолета. Оказалось, что на Марсе этот параметр затухает гораздо меньше, чем на Земле. JPL пришлось компенсировать в своих расчетах это малозатухающее колебание. В противном случае на Марсе возникла бы проблема с контролем вертолета — реакция на управление стала бы очень вялой. В итоге специалисты НАСА пересмотрели конструкции лопастей, чем были установлены на первом прототипе. Они спроектировали для вертолета чрезвычайно легкий и жесткий тип ротора.
Видео с процессом создания марсианского вертолета и тестирования различных его прототипов.
В процессе работы с прототипами НАСА пыталось воспроизвести вертолетом достаточную подъемную силу для Марса. Но поначалу получились в итоге очень быстрые и прыгающие, а не летающие модели. Ими было очень трудно управлять. У первого прототипа было циклическое управление только на нижнем роторе. После нескольких испытаний НАСА добавило циклическое управление также и на верхний ротор, что стабилизировало вертолет и его систему управления. Также в систему управления вертолетом были добавлены дополнительные контролирующие датчики.
НАСА планирует далее совершенствовать систему симуляции для марсианских мультикоптеров. Инженеры JPL с нетерпением ждут первых боевых полетных данных с датчиков «Индженьюити».
Сотрудники JPL рассказывают о вертолете «Индженьюити». На переднем плане стоит копия вертолета.
Первый полет марсианского вертолета должен состояться вечером 11 апреля. Планируется, что он будет продолжаться около 30 секунд, а скорость вращения его двух лопастей в процессе старат достигнет 2 537 оборотов в минуту. БПЛА запрограммирован самостоятельно подняться вертикально на несколько метров, зависнуть и потом мягко опуститься обратно на поверхность. Текущая программа вертолета: набор высоты со скоростью 1 метр в секунду до потолка в 3 метра, потом будет 30-ти секундное зависания на высоте 3 метра с небольшим вращением на месте, плавный спуск на поверхность. Первые кадры об этом полете сотрудники НАСА получат и опубликуют уже 12 апреля. Марсоход «Персеверанс» также будет наблюдать за полетом вертолета на удалении 65 метров от места его взлета.
Если «Индженьюити» справится с этим, то эта миссия будет считаться в НАСА успешной. В течение следующих нескольких недель будут еще полеты, но все, что нужно JPL — это один первый успешный полет, чтобы доказать, что автономный вертолет на Марсе может выполнять свои задачи.
4 апреля вертолет «Индженьюити» в штатном режиме отделился от марсохода и десантировался с высоты 10 см от его брюха на поверхность планеты.
5 апреля НАСА сообщило, что вертолет успешно пережил первую марсианскую ночь в автономном режиме. Его бортовые системы выдержали внешнюю температуру около -90°C. Сейчас вертолет самостоятельно заряжает свои батареи и готовится к первому полету.
7 апреля 2021 года НАСА опубликовало селфи марсохода «Персеверанс» вертолетом «Индженьюити». Тогда же стало известно, что вертолет впервые в тестовом режиме совершил вращение лопастями на Марсе.
9 апреля вертолет проверил работу лопастей на скорости 50 оборотов в минуту.
«Индженьюити» разблокировал роторы.
