Невеликий вертоліт NASA зі смартфонним процесором, який уже вважається надто старим, відкрив новий розділ космічних досліджень. Гелікоптер Ingenuity висотою близько 50 см відірвався від поверхні Марсу, ставши першим літальним апаратом поза межами Землі. Історичний політ тривав близько 40 секунд і складався зі зльоту на висоту близько 3 метрів та невеликого повороту, після чого слідувала посадка.
«Багато людей думали, що на Марсі літати неможливо, – каже проджект-менеджер Ingenuity Мімі Анг. – На ньому так мало повітря».
Атмосфера Марсу на поверхні цієї планети нагадує земну атмосферу на висоті близько 30 кілометрів. Це набагато вище, ніж здатні досягати найновіші вертольоти. Рекорд висоти для вертольоту встановив француз Жан Буле в 1972 році, досягши висоти трохи більше 13,5 км.
Перший в історії політ на Марсі мав відбутися ще 9 квітня, однак його довелося відкласти. Бортовий комп’ютер повідомив про проблему при тестових запусках лопатей. Інженери проаналізували телеметрію та внесли коригування в послідовність запуску. Після цього 19 квітня по обіді за Марсіанським часом гелікоптер здійснив успішний зліт.
Ingenuity важить на Землі близько двох кілограмів, на Марсі це приблизно 700 грамів. Він виконаний за співвісною схемою, і його два вуглепластикові гвинти мають діаметр приблизно 1,3 метри. Вони обертаються на швидкості до 2500 обертів/хвилину — приблизно в п’ять разів швидше, ніж у земних вертольотів.
Гелікоптер відділився від свого носія – ровера Perseverance – 3 квітня. Для заряджання акумуляторів використовується крихітна сонячна панель. Енергія від акумуляторів використовується також для обігріву внутрішніх компонентів вертольота.
Після першого тестового польоту інженери вже планують другий, який може передбачати такий самий маневр, але триватиме довше, а сам вертоліт злетить вище. Загалом у інженерів є 31 день на тестування з використанням Perseverance як передатчика. Після цього терміну ровер від’їде надто далеко. Усього в програмі планується п’ять польотів.
«Це бентежить розум, – каже помічник директора з науки NASA Томас Зурбучен. – Уперше в історії гелікоптер злетів на Марсі. Не кажіть мені більше, що це неможливо».
Роботи над літальним апаратом для Марсу почалися у 2015 році, коли інженери підготували презентацію для штаб-квартири NASA, на основі якої планували отримати фінансування. При підготовці презентації Анг зрозуміла: люди не зможуть керувати цим вертольотом через 15-хвилинну затримку в передачі сигналу. Апарат має літати сам, що означало необхідність розробити легкий та компактний комп’ютер для управління ним.
«Усе зводиться до того, як швидко апарат зможе реагувати на збурення», – каже Анг. Але вона була впевнена, що цю проблему вдасться вирішити.
Переконати топ-менеджерів NASA однією презентацією не вдалося, тому агентство побудувало прототип, який у 2016 році пройшов серію тестів. Вони передбачали розміщення по центру вакуумної камери, обертання гвинтів, вимірювання крутного моменту та порівняння з розрахунковими величинами.
Анг побоювалася, що вібрація від роторів почне взаємодіяти з опорою літального вертольота, і він зруйнує себе. Від подібного під час зльоту страждають і повномасштабні гелікоптери.
«Ми могли втратити все, – каже Анг. – Якби ми розбилися в будь-який момент, нас могли б скасувати». Навіть якби саму ідею марсіансього гелікоптера не скасували, його розробку могли б відкласти, і він би не встиг полетіти разом з Perseverance улітку 2020 року.
Однак тест пройшов успішно, і розрахунки зійшлися з реальними вимірюваннями. Прототип зміг літати, зависати, повертати і приземлятися у вакуумній камері.
«Ми вирішили питання аеродинаміки, – згадує головний інженер Ingenuity Боб Баларам. – Тепер нам потрібно було побудувати увесь літальний апарат».
Вуглепластик та риболовна ліска
Вага – головний ворог польоту, і це особливо актуально на Марсі. Кожен додатковий грам ваги Ingenuity означав збільшення потреби в тязі.
«Потрібно бути дуже легким, – каже керівник підрозділу гелікоптера Тедді Тзанетос. – Ingenuity важить 1,8 кілограма, і це був інженерний виклик вмістити все потрібне в таку вагу».
Більшість елементів гелікоптера, зокрема, ротори, посадкові опори, фюзеляж, створили у каліфорнійській компанії AeroVironment. Вона виготовляє армійські дрони та експериментальні літальні апарати для NASA.
Ротори Ingenuity повинні були бути не лише великими, але й надзвичайно легкими та міцними. Посадкові опори гелікоптера мають бути не лише міцними, а й складатися для космічного транспортування.
«Гравітація на Марсі складає третину земної, і потрібно бути дуже обережним, щоб при приземленні не відскочити, – каже Тзанетос. – Це був би прикрий спосіб провалитися. Або опори не вийшли б, або після посадки він відскочив би та перекинувся».
Невелика гравітація Марсу була цілою проблемою, оскільки її неможливо точно симулювати на Землі. Можна створити атмосферні умови, як на Марcі, але не гравітацію. Для компенсації зайвої гравітації інженери використали риболовну ліску, яка була приєднана до мотора та точного датчика моменту. Вона тягнула вертоліт угору так, ніби на нього діяла марсіанська гравітація.
На початку 2019 року інженери створили реальний марсіанський вертоліт і двічі провели його тестування у вакуумній камері. «Наступного разу ми полетимо на Марсі», – сказала Анг.
Сотні вертольотів на Марсі
Після першого польоту, що показав реальність атмосферних польотів на Марсі, людство стало ще на крок ближче до нового способу дослідження планети.
«Я мрію, щоб атмосферні апарати стали нормою в дослідженні космосу», – каже Анг.
Розробники Ingenuity називають його аналогом ровера Sojourner, який став першим марсоходом у 1997 році. Сьогодні на Марсі залишаються лише ровер Curiosity, який прибув туди у 2012 році, та Perseverance, завданням якого є дослідження минулого життя Марсу та доставка зразку Марсу на Землю.
Майбутні марсіанські гелікоптери можуть слугувати розвідниками для роверів, а також космонавтів, залітаючи в місця, які раніше були недоступними.
«Я можу спрогнозувати сотні вертольотів, що літають на Марсі, – каже ексдиректор лабораторії NASA JPL Чарльз Елачі (2001-2016). – У майбутній місії ми можемо мати ровер та десятки вертольотів на ньому. Вони літатимуть та покриють значно більшу територію. Ровери можуть подолати кілька кілометрів на рік, а вертоліт – кілька кілометрів на день».
За матеріалами: National Geographic
