У великій аудиторії в день відкриття конференції Transformative Vertical Flight 2024, присвяченої гелікоптерним дослідженням, майже не залишилося вільних місць. Ховард Ґріп, головний інженер NASA, стояв перед натовпом інженерів-аеромеханіків, які чекали, щоб представити свою презентацію про численні тріумфи і крах першого в історії марсіанського гелікоптера Ingenuity, який здійснив десятки місій на Марсі, перш ніж остаточно розбитися в середині січеня 2024р.
«Ми багато чому навчилися», — сказав Гріп про процес, який агентство використовувало для розробки Ingenuity, який відкрив абсолютно новий рубіж у дослідженні гелікоптерів завдяки польотам у розрідженому потойбічному повітрі Марса. Все, від дизайну до протоколу тестування, було розроблено з нуля. Він описав новаторську випробувальну лабораторію гелікоптера як «аеродинамічну трубу для бідняків»: щоб виміряти рух вітру на своєму прототипі, дослідники використовували гігантську руку, яка фіксувалася на вертольоті, і розмахувала нею всередині 25-футової кімнати, яка повторювала атмосферні умови Марса.
З точки зору машинобудування, Ingenuity став вирішальною перемогою, здійснивши 71 успішний політ. Але у вертольота також була ахіллесова п’ята: автономне навігаційне програмне забезпечення, яке насилу орієнтувало корабель на похмурій, невиразній місцевості, оскільки воно надто покладалося на дрібні елементи, такі як скелі, як точки шляху. Під час останнього польоту вертольота, коли NASA наказало Ingenuity приземлитися на м’яку піщану рівнину, корабель втратив орієнтир, різко нахилився та загнав ротор у пісок, відламавши кінчик лопаті.
«Оглядаючи назад, ми можемо побачити, чим ця місцевість відрізняється від інших типів місцевості, на яких ми літали, — сказав Гріп, який раніше був головним пілотом Ingenuity на початку вертольота. – І виявилося, що для Ingenuity це було надто складно, тож це урок, чи не так?»
Ingenuity завершив своє життя, але протягом десятиліття принаймні один із його технологічних дітей може вирушити у подорож до далеких планет. Декілька доповідачів на конференції представили нові або оновлені конструкції гелікоптерів, які скористалися знаннями, отриманими під час польотів за межами планети їх батьків-новаторів.
Повітряний Ренесанс
Існують вагомі причини для включення вертольотів у міжпланетні місії. Марсоходи, як правило, повільні і просто не можуть орієнтуватися на деяких більш грізних місцевостях. З іншого боку, НАСА розробило гелікоптери, здатні розвивати максимальну швидкість майже 90 кілометрів на годину на Марсі, підніматися на вершини його гір, а потім опускатися в глибини його кратерів, що залишилися від стародавніх океанів. Маневреність однієї конструкції повинна навіть дати їй можливість досліджувати нутрощі печер.
Досягнення Ingenuity викликали щось на кшталт ренесансу в гелікоптерології, і NASA розробило списки специфікацій для ще кількох планетарних вертольотів, більшість з яких ніколи не буде побудовано. Але кожна нова конфігурація допомагає NASA вчитися та повторювати з надією визначити найкращі можливі конструкції для низки складних умов.
Найбільш розроблені плани включають Dragonfly, який нещодавно отримав зелене світло на найбільший супутник Сатурна, і Sample Recovery Helicopter (SRH), який стикається з неясним майбутнім як потенційна частина проблемної програми повернення частки Марсу Mars Sample Return (MSR). Інші можливості включають кілька концептуальних гелікоптерів, наприклад, Mars Science Helicopter, якому не потрібен марсохід або посадковий модуль як «материський корабель», і Planetary Telemetric Helicopter for Investigation and Analysis (PYTHIA), призначений для подорожі вниз по лавовим трубам Червоної планети
Уроки винахідливості
Під час виступу Гріп пожартував, що найбільшим досягненням Ingenuity було те, що він показав, що можна літати в чужому світі. «Це була неймовірна поїздка, — сказав він. – Я кілька разів хвилювався, що ми зробили це надто легким. Літати на Марсі насправді важко».
Багато неземних випробувань постають перед вертольотами на Марсі. Ключовими фізичними поняттями, які впливають на аеродинаміку коптерів, є щільність повітря, швидкість звуку та так зване число Рейнольдса, яке вказує на те, наскільки турбулентним є повітряний потік навколо.
Для Марса інженери НАСА спочатку зосереджувалися лише на компенсації унікальної щільності повітря, яка часто вказується лише як 1 відсоток земної. Таке «слабке» повітря значно ускладнює створення підйомної сили вертольотом. Вільям Уормбродт, начальник аеромеханіки дослідницького центру Еймса NASA, каже, що ситуація також дещо складніша. Геологічно нижчі райони Марса мають більшу щільність повітря, що робить можливим політ на гелікоптері. Але на більших висотах щільність повітря становить менше 1 відсотка, що вимагає більш складних конструкцій.
Спочатку проект Ingenuity базувався виключно на подоланні проблеми щільності повітря на низькій висоті. Але коли команда випробувала свій перший прототип у вільному польоті, він був нестабільним, хитався та тремтів під час випробувань. Гріп каже, що команда не наважувалася спробувати ще раз, доки не з’ясувала, як швидкість звуку та числа Рейнольдса впливають на політ. Кульмінацією цього стало створення другого прототипу, який справді був успішним.
Щоб допомогти спланувати майбутні місії, вчені використовували дані журналів польотів, щоб дізнатися про те, як керувати атмосферними умовами на Марсі. Переглядаючи дрібні коригування тяги, які Ingenuity автономно використовував для стабілізації під час польоту, вони могли отримати детальну інформацію про швидкість вітру на різних висотах — те, що неможливо виміряти за допомогою земних телескопів або приладів на орбіті Марса або на його поверхні.
«Вектор тяги має бути спрямований на вітер, оскільки він має долати опір фюзеляжу через вітри», — пояснює Вармбродт.
Щодо більш приземленої, але не менш важливої ??ноти, Вармбродт каже, що команда Ingenuity була рада підтвердити, що споживча електроніка може впоратися з міжпланетними дослідженнями. Мозок Ingenuity створювався з еквівалента простого процесора мобільного телефону, який міг витримати екстремальні навантаження, такі як запуск ракети та посадка на Марс, а також низький тиск і змінні температури на поверхні інопланетного світу — факт, який з’явився кілька разів.
Раніше NASA використовувало лише спеціальне обладнання, яке потребувало дорогих випробувань для підтвердження космічної придатності. Вармбродт каже, що можливість використання комерційно доступних компонентів забезпечить величезну економічну вигоду в майбутніх конструкціях.
Корекція курсу
Після Ingenuity пара SRH мала стати першими літальними апаратами, які повернуться на Марс. Зовнішній вигляд SRH дуже нагадує Ingenuity з подібною конфігурацією лопатей гвинта на верхній частині рами. Але SRH має додатковий трюк, оскільки він призначений для збирання зразків для повернення на Землю.
З 2021 року, як частина плану NASA MSR, марсохід Perseverance збирає та зберігає невеликі пробірки зі зразками навколо марсіанського кратера Джезеро в районі, який отримав назву «депо Три Форкс» . Афіна Чан, інженер-механік NASA, який працює над проектом SRH, каже, що для того, щоб захопити матеріал, конструкція SRH включає важіль і захват, а також колеса, які дозволяють йому їздити на короткі відстані.
На даний момент Управління наукової місії NASA оновило специфікації конструкції MSR таким чином, що «не дозволяє розміщення гелікоптерів». Однак він також включав задні двері, які дозволили б NASA потенційно втиснути гелікоптер «для додаткового зниження ризику», хоча і з меншим бюджетом. Відповідь на питання, коли вертольоти знову літатимуть не надто дружнім небом Марса, висить у повітрі.
Наступна зупинка: Титан
Єдиним вертольотом із гарантованим запуском є Dragonfly, який досліджуватиме світ ще далі: поверхню супутника Сатурна Титан. Зразки будуть проаналізовані на місці, а не повернуті на Землю.
На відміну від Марса, Титан має атмосферу, схожу на густий суп — на 60 відсотків щільнішу за земну. Така щільна атмосфера сприяє вертольотам, оскільки гвинти зможуть штовхати густе повітря, створюючи величезну тягу.
Щільність атмосфери означає, що людина могла б літати, «плаваючи»» в повітрі Титана, каже Вармбродт.
Таке сприятливе аеродинамічне середовище дозволило інженерам спроектувати набагато важчий корабель, який більше нагадує щось із наукової фантастики. Незважаючи на те, що Ingenuity і Dragonfly мають схожу конструкцію у вигляді коаксіального ротора, на цьому порівняння закінчується. Приблизно розміром з автомобіль і вагою понад 300 кілограмів, Dragonfly досить великий. Крім того, він має чотири комплекти роторів, а не лише один, що виростає з центру у стилі Ingenuity.
Інженери також оснастили Dragonfly ядерним джерелом енергії, відмовившись від сонячних батарей, які використовували Ingenuity та інші. Плутоній 238 живитиме радіоізотопний термоелектричний генератор Dragonfly, щоб заряджати батареї корабля для польотів. Інженер NASA Джейсон Корнеліус каже, що ядерне джерело енергії було необхідне, тому що сонячне світло надто слабке, щоб заряджати сонячні панелі на Титані. Ця тьмяність виникає через дві речі — велику відстань від Сонця, а також густу, світлопоглинаючу атмосферу.
«Ми також використовуємо тепло атомної електростанції, щоб зберегти машину в теплі», — додає він. Це корисна перевага, оскільки температура поверхні Титана становить приблизно –180 градусів за Цельсієм.
Повернення на Червону планету
Наприкінці 2023 року Гріп залишив програму Ingenuity, щоб стати головним інженером Mars Science Helicopter (MSH). Він сказав, що дизайн MSH ще не повністю визначений, але, ймовірно, це буде перша місія на Марс, яка використає конструкцію гексакоптера. Він також буде більшим і важчим за Ingenuity і зможе перевозити загальну вагу близько близько 9 кг корисного навантаження.
Ще одна багатообіцяюча концепція PYTHIA, призначена для навігації печерами Марса. У минулому діючі вулкани на Марсі виштовхували гарячу лаву на поверхню через тунелі. Після того як вулкани охолонули, тунелі затверділи у великі лавові труби.
PYTHIA має дизайн меншого корпусу дрона з чотирма роторами та вісьмома лопатями. Очікуване місце посадки вже вибрано: Arsia Mons, третя за висотою точка Марса на висоті близько 10 км. Завдяки польотним даним Ingenuity інженери знають надзвичайно низький атмосферний тиск, з яким зіткнеться PYTHIA, і змоделювали, як це компенсувати, щоб він міг долати таку висоту.
