П’ять років тому марсіанський гелікоптер Ingenuity здійснив свій перший політ

П’ять років тому збудована людиною машина вперше здійснила аеродинамічний політ в атмосфері іншого небесного тіла. Це автоматичний гелікоптер Ingenuity. Його мандрівки в атмосфері Марса стали справжнім проривом у науці.

Польоти на інших планетах

19 квітня 2021 року, рівно п’ять років тому, автоматичний гелікоптер Ingenuity здійснив перший в історії політ на Марсі. Тривав він лише 39 с, і все, що зробив апарат у цей час — це вертикально здійнявся у повітря на 3 м,  трохи повисів і здійснив посадку. Але все одно його порівнюють із першим польотом братів Райт, який тривав приблизно стільки ж.

Щоб зрозуміти, чим важливий для розвитку світової техніки Ingenuity, треба знати, що таке аеродинамічний політ і чому він такий важливий для нашої цивілізації.

Трохи більше ніж за століття, що минуло з моменту першого польоту літака братів Райт, авіація стала основним способом подорожувати на великі відстані, скоротивши мандрівки між континентами до кількох годин. А все завдяки тому, що підіймальна сила, яка виникає у будь-якій поверхні з аеродинамічним профілем, що рухається у газовому середовищі, створюється відносно легко.

Достатньо створити крило чи лопать, нижня поверхня якої пласка, а верхня — опукла, і різниця тисків між ними почне підіймати апарат у повітря. І не має значення, чи виникає цей ефект за допомогою статичного крила, чи лопаті.

Проблема лише в тому, що за межами Землі використати цей ефективний спосіб практично неможливо. Атмосфер в інших небесних тіл у більшості випадків або взагалі немає, або вони надзвичайно розріджені, або температура і тиск у них наростають із заглибленням надзвичайно швидко.

Тому замість крил і роторів на інших планетах пропонується використовувати для польоту силу реактивного двигуна. Це є далеко не таким економічним і простим рішенням, тому переважно дослідницькі апарати продовжують повзати поверхнею небесних тіл.

Відносно непогано пристосованими для аеродинамічного польоту апаратів вважаються Марс і супутник Сатурна Титан. І оскільки останній перебуває надто вже далеко від Землі, головним кандидатом на перший політ за межами нашої планети кілька десятиліть залишався саме Марс.

Шлях до марсіанського гелікоптера

Проєкти марсіанських гелікоптерів за сприяння NASA мінімум з початку 1990-х років готувала компанія AeroVironment. Вона є одним із провідних розробників безпілотних літальних апаратів і постійним постачальником дронів американським військовим.

Проте навіть для неї завдання побудувати гелікоптер для Марса було надзвичайно складним. Хоча, на перший погляд, все здавалося відносно просто. Треба лише зробити так, аби підіймальна сила ротора була на 20–30 відсотків вищою, ніж сила тяжіння. Остання на Марсі у 2,5 раза менша, ніж на Землі, й, здавалося б, це сильно спрощує задачу.

Проте водночас атмосфера Червоної планети у 100–160 разів менш щільна, ніж у Землі. І це сильно змінює багато параметрів, що враховуються у рівнянні Бернуллі, яке описує підіймальну силу. Знову ж, здається, що і це можна скомпенсувати, зробивши лопаті довшими, а швидкість їхнього руху вищою.

Але із цим виникають нові проблеми. Коли швидкість руху тонкої й довгої  лопаті наближається до швидкості звуку в середовищі, в якому вона обертається, то виникають потужні вібрації, які намагаються перекрутити її й зруйнувати. На Землі на експериментальних моделях вдалося частково подолати цей бар’єр, але застосовані на них рішення не підходять для Марса.

Усе ускладнюється ще й тим, що через низьку густину атмосфери швидкість звуку там складає близько 250 м/с проти 340 м/с на Землі. Тобто ротори мають обертатися навіть повільніше, щоб не зруйнуватися.

Це призвело до того, що в NASA багато хто не вірив у доцільність створення марсіанського гелікоптера. Однак у компанії AeroVironment на початку 2010-х все ж розробили концепт апарата з двома роторами, які розташовані на одній осі, але обертаються в протилежних напрямках. При цьому кожен із них робить лише 2600 обертів на хвилину. За розрахунками, цього достатньо для того, щоб у більшості випадків підняти апарат над поверхнею Марса. Однак доставити його на Червону планету потрібно було разом із новим марсоходом, який тоді називався просто Mars 2020 і був перевантажений обладнанням.

Проте ініціативна група побудувала ряд моделей і на натурних випробуваннях довела, що автоматичний гелікоптер літати буде. NASA здалася, і невдовзі стало відомо, що перший літаючий дрон в космосі Ingenuity сідатиме на Марс у лютому 2021 року разом із марсоходом Perseverance, хоча інженери місії потім говорили, що «наполегливістю» треба було назвати саме його.

Конструкція Ingenuity

Хоча і назва, що означає «винахідливість» цьому апарату теж дуже підходить, бо його конструкція — це дійсно щось. Фюзеляж, а по суті платформа з електричним обладнанням, чотирма опорами та щоглою має розміри 195×163×136 . Фактично це іграшка, яка важить лише 1,8 кг.

На щоглі — два ротори, кожний із розмахом лопатей у 1210 мм. А над цими двома роторами розташована прямокутна сонячна панель, яка має сумарну площу 544 см². Саме вона живить енергією акумулятори, а ті приводять у дію ротори.

Якогось корисного навантаження, крім оглядової камери, Ingenuity не несе. Його основна задача — продемонструвати, що сама концепція марсіанського гелікоптера працює. І з нею цей невеликий апарат впорався відмінно.

Те, що Ingenuity не мав на борту наукового обладнання, зовсім не означає, що на ньому взагалі не було жодних датчиків. Він був оснащений акселерометрами, датчиками нахилу у трьох  площинах та іншим обладнанням. Усе це було необхідне для того, аби забезпечити його орієнтацію у просторі.

Річ у тім, що над Марсом, на відміну від Землі, немає жодних навігаційних супутників. Тому просто увімкнути модуль GPS не вийде. Та й компас на Червоній планеті безглуздий через слабкість глобального магнітного поля.

Тому була застосована інерційна система навігації. Простіше кажучи, апарат сам підраховував, скільки і в який бік він пролетів від попередньо визначеної точки й таким чином визначав, де опинився.

При цьому традиційної системи з гіроскопами на борту не було. Апарат використовував акселерометри та інші датчики. Проте такий спосіб є вкрай неточним. Тому після кожного  перельоту фахівці місії вручну уточнювали положення гелікоптера, порівнюючи  зроблені ним знімки з високоточною картою місцевості.

На цій мапі, завдяки багаторічній роботі на марсіанській орбіті апарата Mars Reconnaissance Orbiter, були позначені навіть об’єкти розміром 25 см. Часу на це в інженерів було достатньо, оскільки сам апарат здійснював польоти приблизно раз на два тижні.

При цьому тривалість одного польоту ніколи не перевищувала двох хвилини. І пов’язано це було не з ємністю батареї, а з конструкцією приводу роторів. Через обмеження ваги він не був обладнаний жодним радіатором. Тому нагрівався зі швидкістю приблизно 1°С за секунду. Застосована теплоізоляція трохи захищала від цього тепла решту обладнання. Однак загалом літати довго Ingenuity не міг, і насправді його польоти скоріше нагадували дуже затяжні стрибки.

Але найголовнішою особливістю конструкції марсіанського гелікоптера було те, що ним взагалі неможливо було керувати безпосередньо. Зрештою, затримка сигналу із Землі могла сягати 22 хвилин.

Щобільше, на апараті через обмеження за вагою не було жодної серйозної антени. Він просто фізично не міг зв’язатися ані з Землею, ані з ретранслятором на орбіті Марса. Усе, що він міг, — це підтримувати зв’язок із Perseverance, через який і надходили всі команди.

Час від часу  між Землею і Марсом опинялося Сонце. У цьому випадку на кілька днів команди на обидва апарати не подавалися. Ровер в автоматичному режимі збирав дані з гелікоптера і відправляв їх на Землю.

Місія на Марсі

Місія Mars 2020 Rover Mission стартувала із Землі 30 липня 2020 року. А 18 лютого 2021 року Perseverance здійснив посадку в районі кратера Єзеро. Спочатку він займався активацією та тестуванням власних систем, але 21 березня скинув кожух з Ingenuity. Інженери почали готувати його до старту. Перша спроба запустити ротори відбулася 9 квітня, проте тоді мотори самі собою вимкнулися. Наступна була 11 квітня, проте стався збій бортового комп’ютера. Нарешті, 19 квітня він здійснив свій перший політ.

У цьому польоті й кількох наступних було доведено, що літальні апарати з ротором можуть добре працювати на Марсі, й на тому основна задача Ingenuity була виконана. Коли його тільки готували до місії, інженери обережно передбачали, що він функціонуватиме лише 30 діб, протягом яких здійснить кілька польотів.

Припускалося, що він і далі зможе виконувати польоти. Але як це організувати, ніхто спочатку не замислювався. Річ у тім, що гелікоптер, як вже згадувалося раніше, не міг віддалятися на велику відстань від Perseverance, а у того була власна місія — збирання зразків у річищі стародавньої річки Неретви. На щастя, він зміг перелітати достатньо часто і достатньо далеко для того, аби встигати за ним.

Апарат успішно протистояв і зміні сезонів, і пиловим бурям, і втраті зв’язку під час верхнього з’єднання планет із Сонцем. Він продовжував функціонувати до січня 2024 року і загалом здійснив 72 польоти. Проте в останньому з них під час невдалої посадки він повністю розбив один зі своїх роторів і сильно пошкодив інший. Невдовзі в NASA повідомили про припинення місії.

Проте її все одно  вважають надзвичайно успішною. Ingenuity не тільки показав, що концепція гелікоптера на Марсі працює, а й у кілька разів перевищив усі передбачені терміни експлуатації.

Що далі

Успіх Ingenuity означає, що науковці в майбутньому продовжать спроби використовувати гелікоптери у місіях на інші планети. І одним із перших має стати мультироторний дрон Dragonfly, що має досліджувати Титан. Запуск місії запланований на липень 2028 року, але до своєї мети — Сатурна — він дістанеться лише у 2036 році.

Цілком можливо, що до того часу на Марсі вже працюватиме якийсь інший гелікоптер. Вчені вже пропонували NASA кілька проєктів, але там кажуть, що нових роверів висаджувати на Червону планету не планують, а значить, і гелікоптерів везти не будуть. Проте в майбутньому все може змінитися.

Аеродинамічний політ — занадто ефективна річ, щоб від нього відмовлятися там, де він можливий. Ймовірно, що в майбутньому він буде реалізований не тільки на Марсі, а й на Венері,  попри жорсткі умови, які існують на цій планеті.