Небольшой вертолет NASA со смартфонным процессором, который уже считается слишком старым, открыл новый раздел космических исследований. Вертолет Ingenuity высотой около 50 см оторвался от поверхности Марса, став первым летательным аппаратом вне Земли. Исторический полет длился около 40 секунд и состоял из взлета на высоту около 3 метров и небольшого поворота, после чего следовала посадка.
«Многие люди думали, что на Марсе летать невозможно, – говорит проджект-менеджер Ingenuity Мими Анг. – На нем так мало воздуха».
Атмосфера Марса на поверхности этой планеты напоминает земную атмосферу на высоте около 30 километров. Это намного выше, чем способны достигать новейшие вертолеты. Рекорд высоты для вертолета установил француз Жан Буле в 1972 году, достигнув высоты чуть более 13,5 км.
Первый в истории полет на Марсе должен был состояться еще 9 апреля, однако его пришлось отложить. Бортовой компьютер сообщил о проблеме при тестовых запусках лопастей. Инженеры проанализировали телеметрию и внесли корректировки в последовательность запуска. После этого 19 апреля после обеда по марсианскому времени вертолет совершил успешный взлет.
Ingenuity весит на Земле около двух килограммов, на Марсе это примерно 700 граммов. Он выполнен по соосной схеме, и его два углепластиковых винта имеют диаметр примерно 1,3 метра. Они вращаются на скорости до 2500 оборотов/минуту – примерно в пять раз быстрее, чем у земных вертолетов.
Вертолет отделился от своего носителя – ровера Perseverance – 3 апреля. Для зарядки аккумуляторов используется крошечная солнечная панель. Энергия от аккумуляторов используется также для обогрева внутренних компонентов вертолета.
После первого тестового полета инженеры уже планируют второй, который может включать такой же маневр, но продлится дольше, а сам вертолет взлетит выше. Всего у инженеров есть 31 день на тестирование с использованием Perseverance в качестве передатчика. После этого срока ровер отъедет слишком далеко. Всего в программе планируется пять полетов.
«Это волнует ум, – говорит помощник директора по науке NASA Томас Зурбучен. – Впервые в истории вертолет взлетел на Марсе. Не говорите мне больше, что это невозможно».
Работы над летающим аппаратом для Марса начались в 2015 году, когда инженеры подготовили презентацию для штаб-квартиры NASA, на основе которой планировали получить финансирование. При подготовке презентации Анг поняла: люди не смогут управлять этим вертолетом из-за 15-минутной задержки в передаче сигнала. Аппарат должен летать сам, что означало необходимость разработать легкий и компактный компьютер для управления им.
«Все сводится к тому, как быстро аппарат сможет реагировать на возмущения», – говорит Анг. Но она была уверена, что эту проблему удастся решить.
Убедить топ-менеджеров NASA одной презентацией не удалось, поэтому агентство построило прототип, который в 2016 году прошел серию тестов. Они включали размещение по центру вакуумной камеры, вращение винтов, измерение крутящего момента и сравнение с расчетными величинами.
Анг опасалась, что вибрация от роторов начнет взаимодействовать с опорой летательного вертолета, и он разрушит себя. От подобного при взлете страдают и полномасштабные вертолеты.
«Мы могли потерять все, – говорит Анг. – Если бы мы разбились в любой момент, нас могли бы отменить». Даже если бы саму идею марсианского вертолета не отменили, его разработку могли бы отложить, и он бы не успел улететь вместе с Perseverance летом 2020 года.
Однако тест прошел успешно, и расчеты сошлись с реальными измерениями. Прототип смог летать, зависать, поворачивать и приземляться в вакуумной камере.
«Мы решили вопрос аэродинамики, – вспоминает главный инженер Ingenuity Боб Баларам. – Теперь нам нужно было построить весь летательный аппарат».
Углепластик и рыболовная леска
Вес – главный враг полета, и это особенно актуально на Марсе. Каждый дополнительный грамм веса Ingenuity означал увеличение потребности в тяге.
«Нужно быть очень легким, – говорит руководитель подразделения вертолета Тедди Тзанетос. – Ingenuity весит 1,8 килограмма, и это был инженерный вызов вместить все нужное в такой вес».
Большинство элементов вертолета, включая роторы, посадочные опоры, фюзеляж, создали в калифорнийской компании AeroVironment. Она производит армейские дроны и экспериментальные летательные аппараты для NASA.
Роторы Ingenuity должны были быть не только большими, но и чрезвычайно легкими и прочными. Посадочные опоры вертолета должны быть не только прочными, но и складываться для космической транспортировки.
«Гравитация на Марсе составляет треть земной, и нужно быть очень осторожным, чтобы при приземлении не отскочить, — говорит Тзанетос. — Это был бы досадный способ провалиться. Или опоры не получились бы, или после посадки он отскочил бы и перевернулся».
Небольшая гравитация Марса была целой проблемой, поскольку ее невозможно точно симулировать на Земле. Можно создать атмосферные условия, как на Марсе, но не гравитацию. Для компенсации излишней гравитации инженеры использовали рыболовную леску, которая была присоединена к мотору и точному датчику момента. Она тянула вертолет вверх так, будто на него действовала марсианская гравитация.
В начале 2019 года инженеры создали реальный марсианский вертолет и дважды провели его тестирование в вакуумной камере. «В следующий раз мы полетим на Марсе», – сказала Анг.
Сотни вертолетов на Марсе
После первого полета, который показал реальность атмосферных полетов на Марсе, человечество стало еще на шаг ближе к новому способу исследования планеты.
«Я мечтаю, чтобы атмосферные аппараты стали нормой в исследовании космоса», – говорит Анг.
Разработчики Ingenuity называют его аналогом ровера Sojourner, который стал первым марсоходом в 1997 году. Сегодня на Марсе остаются лишь ровер Curiosity, который прибыл туда в 2012 году, и Perseverance, задачей которого является исследование прошлой жизни Марсу и доставка образца Марса на Землю.
Будущие марсианские вертолеты могут служить разведчиками для роверов, а также космонавтов, залетая в места, которые ранее были недоступны.
«Я могу спрогнозировать сотни вертолетов, летающих на Марсе, – говорит экс-директор лаборатории NASA JPL Чарльз Элачи (2001-2016). – В будущей миссии мы можем иметь ровер и десятки вертолетов на нем. Они будут летать и покроют большую территорию. Роверы могут преодолеть несколько километров в год, а вертолет – несколько километров в день».
По материалам: National Geographic
