Впервые в истории хитрый вертолёт покорит небеса другой планеты. Чтобы убедиться, что марсолёт готов к дебюту на Красной планете, инженеры NASA в Пасадене, в Калифорнии, разработали прототипы «Изобретательности» (название марсолета). Они подвергли один прототип строгим испытаниям, чтобы увидеть, сможет ли он пережить низкие температуры и вибрации, которые связаны с посадкой. Другой прототип разрабатывался специально для лётных испытаний, проходивших в камере диаметром 25 футов, созданной JPL для имитации вакуума. В этой статье, Popular Mechanics побеседовал с Бобом Баларамом и Ховардом Фейзером Грипом, чтобы узнать, какие технические особенности делают первый марсолёт поистине новаторским.
Всё почти готово к шоу. Когда таинственный внеземной вертолёт отделится от марсохода, чтобы провести серию в 5 тестовых полётов длительностью от 30 до 90 секунд, у него будет 30 марсианских суток, а каждые марсианские сутки состоят из 24 часов, 39 минут и 35 секунд. Хореография почти всех самых амбициозных прыжков марсолёта будет поставлена самой «Изобретательностью», а их высота будет варьироваться от высоты одноэтажного дома до 1000 футов.
Тогда как «Изобретательность» — демонстрационная технология, то есть единственная её цель — безопасно взлететь в марсианском небе, успешный полёт может изменить наш подход к исследованию Солнечной системы.
Лопасти
Лопасти «Изобретательности» длиной в два фута разработаны специально для марсианской атмосферы, плотность которой составляет один процент от плотности земной. «Вращаясь, лопасти имеют тенденцию махать вверх и вниз, что мешает контролю, — рассказывает известный механик Боб Баларам, — на Земле это движение гасится, но на Марсе, в разреженной атмосфере, этого не происходит».
Ховард Фейзер Грип, исследователь-технолог, также работающий в JPL, сравнивает нестабильное движение с ездой на велосипеде, нагруженном тяжёлыми сумками из бакалеи, свисающими над рулём. Чтобы противодействовать колебаниям и сделать полёт гладким, лопасти, которые имеют пенопластовую основу и углеродное покрытие, разрабатывались лёгкими, но чрезвычайно жёсткими.
Ротор
Отличительной особенностью системы ротора является его размер, огромный в сравнении с марсолётом в целом.
«Это одно из последствий столь низкой плотности, — рассказывает Грип. — Вам просто нужен большой ротор — такой большой, какой только может подойти». И он должен вращать лезвия быстро — со скоростью 2800 оборотов в минуту, или более чем в 10 раз быстрее, чем лопасти вращаются на Земле, но при этом не слишком быстро. Скорость звука ниже на Марсе — это около 540 миль в час по сравнению с 760 милями в час на Земле, и марсолёт должен двигаться не быстрее этой скорости.
«Когда вы достигаете околозвуковой скорости, сопротивление на кончиках лопастей становится очень высоким, — рассказывает Грип. — В этот момент энергия, необходимая для движения роторов, приводит к взрыву».
У «Изобретательности» имеются верхний и нижний роторы. Каждый узел содержит тяговый двигатель, шаговые звенья и три сервопривода, которые работают вместе, направляя марсолёт. Четыре дополнительных противовеса, по два на каждый ротор, создают «восстанавливающую силу на лопастях при центробежных нагрузках ... снижая требования к крутящему моменту» «Изобретательности» (цитата из исследования NASA).
Инженеры остановились на конфигурации соосных несущих винтов, а не на хвостовом роторе или конструкции квадрокоптера, поскольку такая конфигурация невероятно компактна; это означает, что она легко помещается в марсоход, но при этом не означает, что квадро- и гексакоптеры останутся вне будущих миссий.
«Мы исследуем различные конструкции транспортных средств, которые позволили бы нам продвигаться дальше, быстрее и нести больше полезной нагрузки», — рассказывает Грип.
Посадочные опоры
Четыре опоры марсолёта из углеродного волокна и эпоксидной смолы очень лёгкие и крепятся к посадочной платформе с помощью деформируемых алюминиевых элементов на шарнирах, которые помогают гасить силу удара и предотвращают подпрыгивание винтокрылой машины.
«Мы хотим приземляться уверенно, даже сильно не подпрыгивая», — рассказывает Грип. Группа испытателей «Изобретательности» опробовала опоры на аналогах марсианских поверхностей, включая скалы и песок.
Солнечные панели
«Усовершенствованные батареи с метаморфным четырёхпереходным солнечным элементом, которые помогают «Изобретательности» настроиться на марсианский спектр, — рассказывает Баларам. — Это означает, что они оптимизированы так, чтобы поглощать большую часть света, который доходит до Марса».
Литий-ионные аккумуляторы
«Солнечные батареи будут заряжать шесть литий-ионных батарей Sony Ingenuity. При необходимости аккумуляторная батарея может генерировать около 500 Вт, — рассказывает Баларам. В зависимости от сезона и масштаба миссии, чтобы зарядить батареи, требуются примерно одни марсианские сутки».
Навигационные камеры
На Марсе нет магнитного поля, так что компасы и системы GPS бесполезны. Вместо этого марсолёт использует чёрно-белую навигационную камеру, которая во время полёта делает снимки поверхности. «На этом кадре камеры мы обнаруживаем особенности грунта, которые отслеживаем, — рассказывает Грип. — Это помогает увидеть, как мы движемся относительно марсианского грунта. 13-мегапиксельная цветная камера Sony Return-to-Earth будет делать снимки горизонта и отправлять их обратно на Землю, чтобы мы могли просмотреть их».
Эти изображения в сочетании с наблюдениями высотомера-лидара и измерениями инерции помогут «Изобретательности» принимать решения о том, куда лететь и, в конечном счёте, где приземлиться.
«С помощью этих трёх датчиков мы всегда можем отследить, что делает марсолёт и где он находится», — рассказывает Грип.
Коробка электроники фюзеляжа
Фюзеляж содержит верхний сенсорный узел, прикреплённый к мачте марсолёта, в свою очередь, включающей инклинометр, инерциальный измерительный блок и элементы защиты электроники вертолёта, которые минимизируют вибрацию в полёте. Нижний узел датчика содержит высотомер, навигационные камеры и второй инерциальный измерительный блок.
Одна из самых серьёзных проблем, с которой столкнется марсолёт, — проблема тепла. Средняя температура на поверхности Марса составляет примерно минус 64 градуса по Фаренгейту. Чтобы всё чувствительное электронное оборудование «Изобретательности» оставалось достаточно тёплым для работы, Баларам и его команда разработали несколько хитроумных методов.
Ссылка на 3D-модель марсолёта:
Батарейный блок, который должен храниться при температуре не ниже 5 градусов по Фаренгейту, расположен глубоко под блестящим фюзеляжем марсолёта, окружён нагревателями и рядом дефлекторов, или карманов марсианской атмосферы.
«Оказывается, газообразный CO2 — это довольно хороший изолятор», — рассказывает Баларам. Кроме того, наружная сторона фюзеляжа покрыта сильным абсорбентом — вольфрамовой плёнкой, которая, по словам Баларама, «создана, чтобы собирать природное солнечное тепло».
Бортовая радиоэлектроника
В «Изобретательность» упаковали довольно серьёзные мощности обработки данных. Мозги операции (один из четырёх процессоров на борту) — это Qualcomm 2,26 ГГц Quad-Core Snapdragon 801. Тот же процессор работает в смартфонах и, по словам Баларама, он обеспечивает на два порядка больше вычислительной мощности, чем у любого другого космического аппарата NASA.
«Наверное, вычислительная мощность «Изобретательности» больше, чем у всех космических аппаратов NASA, вместе взятых», — рассказывает Баларам.
Обшитый золотом куб содержит плату интерфейса батареи, которая регулирует мощность батареи и двигателей. Другие платы — это плата питания марсолёта, FPGA-контроля над полётом, плата контроллера навигации и сервомоторов, которая служит домом для Snapdragon, и плата телекоммуникаций. Все они работают вместе, составляя электронный мозг всей миссии.
Как и другие космические аппараты, Ingenuity иногда будет связываться с Землёй. По коммуникационной антенне, зафиксированной на его солнечной панели, марсолёт отправит данные на приёмник на борту Perseverance («Настойчивость»), дальность действия которого составляет почти 1000 футов (305 метров).
Какой бы хитроумной не была начинка космических аппаратов, без чего они точно никогда не взлетят — так это без грамотной работы с данными. Например в Spase X используют Data Science для работы над интеллектуальными системами диагностики и обнаружения неисправностей, а в NASA и вовсе используют большие данные для всего: от прогнозирования погоды на Земле до мониторинга ледяных шапок на Марсе и определения размера и формы сотрудников НАСА. А научиться обрабатывать и анализировать данные можно у нас, на направлениях Data Science и Data Analytics.
Подборка незаменимых инженерных специальностей для новичков и профи
ПРОФЕССИИ
КУРСЫ
