В большой аудитории в день открытия конференции Transformative Vertical Flight 2024, посвященной вертолетным исследованиям, почти не осталось свободных мест. Ховард Грипп, главный инженер NASA, стоял перед толпой инженеров-аэромехаников, ожидавших, чтобы представить свою презентацию о многочисленных триумфах и крахе первого в истории марсианского вертолета Ingenuity, совершившего десятки миссий на Марсе, прежде чем окончательно разбиться в середине января.
«Мы многому научились», — сказал Грипп о процессе, который агентство использовало для разработки Ingenuity, открывшего совершенно новый рубеж в исследовании вертолетов благодаря полетам в разреженном потустороннем воздухе Марса. Все от дизайна до протокола тестирования было разработано с нуля. Он описал новаторскую испытательную лабораторию вертолета как «аэродинамическую трубу для бедняков»: чтобы измерить движение ветра на своем прототипе, исследователи использовали гигантскую руку, которая фиксировалась на вертолете, и размахивала ею внутри 25-футовой комнаты, повторявшей атмосферу. >
С точки зрения машиностроения, Ingenuity стал решающей победой, совершив 71 успешный полет. Но у вертолета также была ахиллесова пятка: автономное навигационное программное обеспечение, с трудом ориентировавшее корабль на пасмурной, невнятной местности, поскольку оно слишком полагалось на мелкие элементы, такие как скалы, как точки пути. Во время последнего полета вертолета, когда NASA приказало Ingenuity приземлиться на мягкую песчаную равнину, корабль потерял ориентир, резко наклонился и загнал ротор в песок, отломив кончик лопасти.
«Оглядывая назад, мы можем увидеть, чем эта местность отличается от других типов местности, на которых мы летали, — сказал Грипп, ранее бывший главным пилотом Ingenuity в начале вертолета. — И оказалось, что для Ingenuity это было слишком сложно, так что это урок, не правда ли?»
Ingenuity завершил свою жизнь, но в течение десятилетия по крайней мере один из его технологических детей может отправиться в путешествие на далекие планеты. Несколько докладчиков представили новые или обновленные конструкции вертолетов, которые воспользовались знаниями, полученными во время полетов за пределами планеты их родителей-новаторов.
Воздушный Ренессанс
Существуют веские причины для включения вертолетов в межпланетные миссии. Марсоходы, обычно, медленные и просто не могут ориентироваться на неких более грозных местностях. С другой стороны, НАСА разработало вертолеты, способные развивать максимальную скорость почти 90 километров в час на Марсе, подниматься на вершины его гор, а затем опускаться в глубины его кратеров, оставшихся от древних океанов. Маневренность одной конструкции должна даже дать ей возможность изучить внутренности пещер.
Достижения Ingenuity вызвали что-то вроде ренессанса в вертолетах, и NASA разработало списки спецификаций для еще нескольких планетарных вертолетов, большинство из которых никогда не будет построено. Но каждая новая конфигурация помогает NASA учиться и повторять в надежде определить наилучшие возможные конструкции для ряда сложных условий.
Наиболее разработанные планы включают Dragonfly, недавно получивший зеленый свет на крупнейший спутник Сатурна, и Sample Recovery Helicopter (SRH), сталкивающийся с неясным будущим как потенциальная часть проблемной программы возвращения доли Марса Mars Sample Return (MSR). Другие возможности включают несколько концептуальных вертолетов, например Mars Science Helicopter, которому не нужен марсоход или посадочный модуль как «материнский корабль», и Planetary Telemetric Helicopter for Investigation and Analysis (PYTHIA), предназначенный для путешествия вниз по лавовым трубам Красной планеты
Уроки изобретательности
Во время выступления Грипп пошутил, что самым большим достижением Ingenuity было то, что он показал, что можно летать в чужом мире. «Это была невероятная поездка, – сказал он. – Я несколько раз волновался, что мы сделали это слишком легким. Летать на Марсе действительно трудно».
Многие неземные испытания предстают перед вертолетами на Марсе. Ключевыми физическими понятиями, влияющими на аэродинамику коптеров, являются плотность воздуха, скорость звука и так называемое число Рейнольдса, указывающее на то, насколько турбулентен воздушный поток вокруг.
Для Марса инженеры НАСА изначально сосредотачивались лишь на компенсации уникальной плотности воздуха, которая часто указывается лишь как 1 процент земной. Такой «слабый» воздух значительно усложняет создание подъемной силы вертолетом. Уильям Уормбродт, начальник аэромеханики исследовательского центра Эймса NASA, говорит, что ситуация также несколько сложнее. Геологически низшие районы Марса имеют большую плотность воздуха, что делает возможным полет на вертолете. Но на больших высотах плотность воздуха составляет менее 1%, что требует более сложных конструкций.
Сначала проект Ingenuity базировался исключительно на преодолении проблемы плотности воздуха на низкой высоте. Но когда команда испытала свой первый прототип в свободном полете, он был нестабильным, шатался и дрожал во время испытаний. Грипп говорит, что команда не решалась попробовать еще раз, пока не выяснила, как скорость звука и числа Рейнольдса влияют на полет. Кульминацией этого стало создание второго прототипа, который действительно был успешным.
Чтобы помочь спланировать будущие миссии, ученые использовали данные журналов полетов, чтобы узнать о том, как управлять атмосферными условиями на Марсе. Просматривая мелкие корректировки тяги, которые Ingenuity автономно использовали для стабилизации во время полета, они могли получить подробную информацию о скорости ветра на разных высотах — то, что невозможно измерить с помощью земных телескопов или приборов на орбите Марса или на его поверхности.
«Вектор тяги должен быть направлен на ветер, поскольку он должен преодолевать сопротивление фюзеляжа через ветры», — объясняет Вармбродт.
Относительно более приземленной, но не менее важной ноты, Вармбродт говорит, что команда Ingenuity была рада подтвердить, что потребительская электроника может справиться с межпланетными исследованиями. Мозг Ingenuity создавался из эквивалента простого процессора мобильного телефона, который мог выдержать экстремальные нагрузки, такие как запуск ракеты и посадка на Марс, а также низкое давление и переменные температуры на поверхности инопланетного мира – появившийся несколько раз факт.
Ранее NASA использовало только специальное оборудование, требующее дорогостоящих испытаний для подтверждения космической пригодности. Вармбродт говорит, что возможность использования коммерчески доступных компонентов обеспечит огромную экономическую выгоду в будущих конструкциях.
Коррекция курса
После Ingenuity пара SRH должна была стать первыми летательными аппаратами, которые вернутся на Марс. Внешний вид SRH очень напоминает Ingenuity с схожей конфигурацией лопастей винта на верхней части рамы. Но SRH имеет дополнительный трюк, поскольку он предназначен для сбора образцов для возвращения на Землю.
С 2021 года, как часть плана NASA MSR, марсоход Perseverance собирает и хранит небольшие пробирки с образцами вокруг марсианского кратера Джезеро в районе, который получил название «депо Три Форкс». Афина Чан, инженер-механик NASA, работающий над проектом SRH, говорит, что для того чтобы захватить материал, конструкция SRH включает рычаг и захват, а также колеса, позволяющие ему ездить на короткие расстояния.
На данный момент Управление научной миссии NASA обновило спецификации конструкции MSR таким образом, что «не позволяет размещение вертолетов». Однако он также включал заднюю дверь, которая позволила бы NASA потенциально вдавить вертолет «для дополнительного снижения риска», хотя и с меньшим бюджетом. Ответ на вопрос, когда вертолеты снова будут летать не слишком дружеским небом Марса, висит в воздухе.
Следующая остановка: Титан
Единственным вертолетом с гарантированным запуском является Dragonfly, который будет исследовать мир еще дальше: поверхность спутника Сатурна Титан. Образцы будут проанализированы на месте, а не возвращены на Землю.
В отличие от Марса, Титан имеет атмосферу, похожую на густой суп — на 60 процентов плотнее земной. Такая плотная атмосфера способствует вертолетам, поскольку винты смогут толкать густой воздух, создавая огромную тягу.
Плотность атмосферы означает, что человек мог бы летать, «плавая»» в воздухе Титана, говорит Вармбродт.
Такая благоприятная аэродинамическая среда позволила инженерам спроектировать гораздо более тяжелый корабль, больше напоминающий что-то из научной фантастики. Несмотря на то что Ingenuity и Dragonfly имеют схожую конструкцию в виде коаксиального ротора, на этом сравнение заканчивается. Приблизительно размером с автомобиль и весом более 300 килограммов, Dragonfly достаточно велик. Кроме того, он имеет четыре комплекта роторов, а не только один, произрастающий из центра в стиле Ingenuity.
Инженеры также оснастили Dragonfly ядерным источником энергии, отказавшись от солнечных батарей, которые использовали Ingenuity и другие. Плутоний 238 питает радиоизотопный термоэлектрический генератор Dragonfly, чтобы заряжать батареи корабля для полетов. Инженер NASA Джейсон Корнелиус говорит, что ядерный источник энергии был необходим, потому что солнечный свет слишком слаб, чтобы заряжать солнечные панели на Титане. Эта тусклость возникает из-за двух вещей — большого расстояния от Солнца, а также густой, светлопоглощающей атмосферы.
«Мы также используем тепло атомной электростанции, чтобы сохранить машину в тепле», — добавляет он. Это полезное преимущество, поскольку температура поверхности Титана составляет примерно –180 градусов Цельсия.
Возвращение на Красную планету
В конце 2023 года Грипп оставил программу Ingenuity, чтобы стать главным инженером Mars Science Helicopter (MSH). Он сказал, что дизайн MSH еще не полностью определен, но, по всей вероятности, это будет первая миссия на Марс, которая использует конструкцию гексакоптера. Он также будет больше и тяжелее Ingenuity и сможет перевозить общий вес около 9 кг полезной нагрузки.
Еще одна многообещающая концепция PYTHIA, предназначенная для навигации пещерами Марса. В прошлом действующие вулканы на Марсе выталкивали горячую лаву на поверхность через туннели. После того, как вулканы остыли, туннели затвердели в большие лавовые трубы.
PYTHIA имеет дизайн меньшего корпуса дрона с четырьмя роторами и восемью лопастями. Ожидаемое место посадки уже выбрано: Arsia Mons, третья по высоте точка Марса на высоте около 10 км. Благодаря полетным данным Ingenuity инженеры знают очень низкое атмосферное давление, с которым столкнется PYTHIA, и смоделировали, как это компенсировать, чтобы он мог преодолевать такую ??высоту.
По материалам: Popular Mechanics
