Пять лет назад созданный человеком аппарат впервые совершил аэродинамический полет в атмосфере другого небесного тела. Это автоматический вертолет Ingenuity. Его полеты в атмосфере Марса стали настоящим прорывом в науке.
Полеты на других планетах
19 апреля 2021 года, ровно пять лет назад, автоматический вертолет Ingenuity совершил первый в истории полет на Марсе. Он длился всего 39 секунд, и все, что сделал аппарат за это время, — это вертикально поднялся в воздух на 3 м, немного повисел и совершил посадку. Но все равно его сравнивают с первым полетом братьев Райт, который длился примерно столько же.
Чтобы понять, чем важен для развития мировой техники Ingenuity, нужно знать, что такое аэродинамический полет и почему он так важен для нашей цивилизации.
Чуть больше чем за столетие, прошедшее с момента первого полета самолета братьев Райт, авиация стала основным способом путешествовать на большие расстояния, сократив время в пути между континентами до нескольких часов. А все благодаря тому, что подъемная сила, возникающая у любой поверхности с аэродинамическим профилем, который движется в газовой среде, создается относительно легко.
Достаточно создать крыло или лопасть, нижняя поверхность которой плоская, а верхняя — выпуклая, и разница давлений между ними начнет поднимать аппарат в воздух. И неважно, возникает ли этот эффект при помощи статического крыла или лопасти.
Проблема лишь в том, что за пределами Земли использовать этот эффективный способ практически невозможно. У других небесных тел в большинстве случаев либо вообще нет атмосферы, либо она чрезвычайно разрежена, либо температура и давление в ней растут с увеличением глубины чрезвычайно быстро.
Поэтому вместо крыльев и роторов на других планетах предлагается использовать для полета силу реактивного двигателя. Это далеко не такое экономичное и простое решение, поэтому преимущественно исследовательские аппараты продолжают ползать по поверхности небесных тел.
Относительно хорошо приспособленными для аэродинамического полета аппаратов считаются Марс и спутник Сатурна Титан. И поскольку последний находится слишком далеко от Земли, главным кандидатом на первый полет за пределами нашей планеты несколько десятилетий оставался именно Марс.
Путь к марсианскому вертолету
Проекты марсианских вертолетов при содействии NASA минимум с начала 1990-х годов готовила компания AeroVironment. Она является одним из ведущих разработчиков беспилотных летательных аппаратов и постоянным поставщиком дронов американским военным.
Однако даже для нее задача построить вертолет для Марса оказалась чрезвычайно сложной. Хотя, на первый взгляд, все выглядело относительно просто. Нужно лишь сделать так, чтобы подъемная сила ротора была на 20–30 процентов выше, чем сила тяжести. Последняя на Марсе в 2,5 раза меньше, чем на Земле, и, казалось бы, это сильно упрощает задачу.
Однако в то же время атмосфера Красной планеты в 100–160 раз менее плотная, чем у Земли. И это сильно меняет многие параметры, учитываемые в уравнении Бернулли, которое описывает подъемную силу. Опять же, кажется, что и это можно компенсировать, сделав лопасти длиннее, а скорость их движения выше.
Но с этим возникают новые проблемы. Когда скорость движения тонкой и длинной лопасти приближается к скорости звука в среде, в которой она вращается, возникают сильные вибрации, которые пытаются искривить ее и разрушить. На Земле на экспериментальных моделях удалось частично преодолеть этот барьер, но примененные на них решения не подходят для Марса.
Все усложняется еще и тем, что из-за низкой плотности атмосферы скорость звука там составляет около 250 м/с против 340 м/с на Земле. То есть роторы должны вращаться еще медленнее, чтобы не разрушиться.
Это привело к тому, что в NASA многие не верили в целесообразность создания марсианского вертолета. Однако в компании AeroVironment в начале 2010-х все же разработали концепт аппарата с двумя роторами, расположенными на одной оси, но вращающимися в противоположных направлениях. При этом каждый из них делает всего 2600 оборотов в минуту. По расчетам, этого достаточно для того, чтобы в большинстве случаев поднять аппарат над поверхностью Марса. Однако доставить его на Красную планету нужно было вместе с новым марсоходом, который тогда назывался просто Mars 2020 и был перегружен оборудованием.
Однако инициативная группа построила ряд моделей и в ходе натурных испытаний доказала, что автоматический вертолет будет летать. NASA сдалась, и вскоре стало известно, что первый летающий дрон в космосе Ingenuity приземлится на Марсе в феврале 2021 года вместе с марсоходом Perseverance, хотя инженеры миссии потом говорили, что «настойчивостью» следовало назвать именно его.
Конструкция Ingenuity
Хотя название, означающее «изобретательность», этому аппарату тоже очень подходит, ведь его конструкция — это действительно нечто. Фюзеляж, а по сути платформа с электрическим оборудованием, четырьмя опорами и мачтой, имеет размеры 195×163×136 мм. Фактически это игрушка, весящая всего 1,8 кг.
На мачте — два ротора, каждый с размахом лопастей 1210 мм. А над этими двумя роторами расположена прямоугольная солнечная панель, суммарной площадь 544 см². Именно она питает энергией аккумуляторы, а те приводят в действие роторы.
Помимо обзорной камеры Ingenuity не несет никакой полезной нагрузки. Его основная задача — продемонстрировать, что сама концепция марсианского вертолета работает. И с этой задачей этот небольшой аппарат справился отлично.
То, что Ingenuity не имел на борту научного оборудования, вовсе не означает, что на нем вообще не было никаких датчиков. Он был оснащен акселерометрами, датчиками наклона в трех плоскостях и другим оборудованием. Все это было необходимо для обеспечения его ориентации в пространстве.
Дело в том, что над Марсом, в отличие от Земли, нет никаких навигационных спутников. Поэтому просто включить модуль GPS не получится. Да и компас на Красной планете бессмыслен из-за слабости глобального магнитного поля.
Поэтому была использована инерциальная система навигации. Проще говоря, аппарат сам подсчитывал, на какое расстояние и в какую сторону он отклонился от заранее заданной точки, и таким образом определял, где он находится.
При этом традиционной системы с гироскопами на борту не было. Аппарат использовал акселерометры и другие датчики. Однако такой способ крайне неточный. Поэтому после каждого перелета специалисты миссии вручную уточняли положение вертолета, сравнивая сделанные им снимки с высокоточной картой местности.
На этой карте, благодаря многолетней работе на марсианской орбите аппарата Mars Reconnaissance Orbiter, были обозначены даже объекты размером 25 см. Времени на это у инженеров было достаточно, поскольку сам аппарат совершал полеты примерно раз в две недели.
При этом продолжительность одного полета никогда не превышала двух минут. И связано это было не с емкостью батареи, а с конструкцией привода роторов. Из-за ограничений по весу он не был оснащен ни одним радиатором. Поэтому нагревался со скоростью примерно 1°C в секунду. Примененная теплоизоляция немного защищала от этого тепла остальное оборудование. Однако в целом летать долго Ingenuity не мог, и на самом деле его полеты скорее напоминали очень затяжные прыжки.
Но самой главной особенностью конструкции марсианского вертолета было то, что им вообще невозможно было управлять напрямую. В конце концов задержка сигнала с Земли могла достигать 22 минуты.
Более того, из-за ограничений по весу на аппарате не было ни одной полноценной антенны. Он просто физически не мог связаться ни с Землей, ни с ретранслятором на орбите Марса. Все, что он мог, — это поддерживать связь с Perseverance, через который и поступали все команды.
Время от времени между Землей и Марсом оказывалось Солнце. В этом случае на несколько дней команды на оба аппарата не подавались. Ровер в автоматическом режиме собирал данные с вертолета и отправлял их на Землю.
Миссия на Марсе
Миссия Mars 2020 Rover Mission стартовала с Земли 30 июля 2020 года. А 18 февраля 2021 года Perseverance совершил посадку в районе кратера Езеро. Сначала он занимался активацией и тестированием собственных систем, но 21 марта снял кожух с Ingenuity. Инженеры начали готовить его к запуску. Первая попытка запустить роторы состоялась 9 апреля, однако тогда моторы сами по себе выключились. Следующая была 11 апреля, однако произошел сбой бортового компьютера. Наконец, 19 апреля он совершил свой первый полет.
В ходе этого и нескольких последующих полетов было доказано, что летательные аппараты с ротором могут успешно работать на Марсе, и на этом основная задача Ingenuity была выполнена. Когда его только готовили к миссии, инженеры осторожно предполагали, что он проработает всего 30 дней, в течение которых совершит несколько полетов.
Предполагалось, что он и дальше сможет выполнять полеты. Но как это организовать, поначалу никто не задумывался. Дело в том, что вертолет, как уже упоминалось ранее, не мог удаляться на большое расстояние от Perseverance, а у того была своя миссия — сбор образцов в русле древней реки Неретвы. К счастью, он смог перелетать достаточно часто и достаточно далеко для того, чтобы успевать за ним.
Аппарат успешно выдержал и смену сезонов, и пыльные бури, и потерю связи во время верхнего соединения планет с Солнцем. Он продолжал функционировать до января 2024 года и в общей сложности совершил 72 полета. Однако в последнем из них во время неудачной посадки он полностью разбил один из своих роторов и сильно повредил другой. Вскоре в NASA сообщили о прекращении миссии.
Однако ее все равно считают чрезвычайно успешной. Ingenuity не только показал, что концепция вертолета на Марсе работает, но и в несколько раз превысила все предусмотренные сроки эксплуатации.
Что дальше
Успех Ingenuity означает, что в будущем ученые продолжат попытки использовать вертолеты в миссиях на другие планеты. И одним из первых должен стать мультироторный дрон Dragonfly, который должен исследовать Титан. Запуск миссии запланирован на июль 2028 года, но до своей цели — Сатурна — он доберется только в 2036 году.
Вполне возможно, что к тому времени на Марсе уже будет работать какой-нибудь другой вертолет. Ученые уже предлагали NASA несколько проектов, но там заявляют, что не планируют высаживать на Красную планету новые роверы, а значит, и вертолеты везти не будут. Однако в будущем все может измениться.
Аэродинамический полет — слишком эффективная вещь, чтобы от него отказываться там, где это возможно. Вероятно, что в будущем он будет реализован не только на Марсе, но и на Венере, несмотря на суровые условия, существующие на этой планете.
