Быстрее, выше, сильнее: каким будет следующий марсианский вертолёт?

Марсианский вертолёт Ingenuity в настоящее время готовится к своему 14-му полёту в кратере Е?зеро на Марсе, что на 13 полётов больше, чем требовалось NASA для признания этого эксперимента успешным. Ingenuity доказал, что полёт на Марсе не только потенциально возможен, но и реализуем на практике, а также способен принести ощутимую научную пользу — и это весьма неплохо для аппарата, который вообще не был предназначен для исследований.

Теперь весь вопрос в том, как впечатляющие достижения Ingenuity повлияют на будущую стратегию NASA по исследованию Марса.

Оказывается, космическое агентство вело работу в этом направлении задолго до того, как Ingenuity приземлился на Красной планете. Около трёх лет назад, когда этап его разработки и тестирования подходил к завершению, а дата запуска марсохода Perseverance становилась всё ближе, робототехники из Лаборатории реактивного движения (JPL), Исследовательского центра NASA им. Эймса и компании AeroVironment (которая помогла в разработке Ingenuity) начали прорабатывать концепты марсианского вертолёта следующего поколения. Как можно эффективно масштабировать будущий аппарат, используя наработки по его предшественнику? Какие научные инструменты он мог бы иметь на борту? Какие миссии можно было бы выполнить при помощи этого вертолёта?

Результатом стал Mars Science Helicopter (MSH) – 30-килограммовый гексакоптер, способный выполнять уникальные научные исследования на поверхности планеты без поддержки марсохода.

Ключевым элементом в подходе JPL к проектированию аппарата была необходимость предоставить как можно больше возможностей для научного сообщества, объясняет Боб Баларам, главный инженер JPL и один из авторов официального документа, посвящённого MSH. Это означало проработку всевозможных размеров аппарата и концепций его вероятных миссий. «Ingenuity может быть как увеличен в размерах, так и уменьшен, — говорит нам Баларам. – Мы могли бы сделать его ещё меньше, превратив в разведчик. Или, наоборот, масштабировать до полноразмерного автономного вертолёта. Есть и промежуточные варианты, быть может, что-то весом около 5 килограмм, чтобы он собирал образцы с удалённых участков и доставлял их обратно на посадочный модуль для анализа». Лаборатория реактивного движения предоставила планетологам этот набор различных концепций марсианских вертолётов, попросив их вообразить, какие новые исследования могут быть выполнены каждой из платформ. И здесь действительно есть над чем поразмыслить.

Долина Мавра: поиск жизни в труднодоступных местах

Долина Мавра — это огромный проточный канал длиной 640 километров, в котором примерно 3,5 миллиарда лет назад могли находиться реки, озёра и болота. На Земле минералы, обнаруженные в подобных местах, сохраняют органические вещества. Эта предполагаемая миссия будет состоять из посадочного аппарата и небольшого вертолёта, использующего соосную конструкцию с двумя несущими винтами, аналогичную применяемой в Ingenuity. Вертолёт будет исследовать перспективные места на обширной территории, а затем использовать манипулятор и микробур, чтобы доставить образцы обратно на посадочный модуль, обладающий всеми необходимыми научными инструментами, включая аппаратуру для микросъёмки и прибор для обнаружения жизни. И если её действительно отыщут на Марсе, забор проб с вертолёта поможет защитить эту жизнь от потенциального загрязнения.

Кратер Миланковича: картографирование подповерхностного водяного льда

Считается, что в высоких северных широтах Марса находится значительное количество подповерхностного водяного льда. Это важно для понимания круговорота воды и истории климата Марса, а также потому, что подобный лёд потенциально сможет обеспечить кислородом для дыхания и ракетным топливом будущие пилотируемые миссии. Создание точных карт подповерхностного льда с орбиты является сложной задачей, но версия MSH в виде большого гексакоптера, оснащённого нейтронным спектрометром, инфракрасной камерой и метеорологическими приборами, сможет предоставить данные очень высокого разрешения, охватывающие весьма большую территорию.

В рамках вероятных сценариев этой миссии, возможно, наиболее впечатляющим потенциальным применением предложенного летательного аппарата, является контактное взаимодействие с труднодоступными поверхностями, то есть взятие в полёте образцов горных пород или грунта из областей, которые марсоход (и, возможно, даже человек) никогда не сможет достичь, например, прямо с отвесной скалы. «Способность удерживать вертолёт у стены утёса не является проблемой для компьютерного зрения, — говорит Баларам. – Поэтому встаёт другой вопрос: что же мы сможем использовать в качестве манипулятора для взятия проб? Можно представить себе что-то вроде пенетратора с намоточным устройством. Дрон стреляет небольшим снарядом, который врезается в стену утёса, а затем наматывается обратно вместе со взятым образцом. Или, быть может, вы найдёте зелёную слизь, которую хотите собрать, и выстрелите в неё чем-то липким, например, липучкой для мух. Это та наука, которой мы потенциально можем заниматься».

Серьёзная инженерная работа

Хотя научная нагрузка MSH всё ещё до конца не определена, Баларам говорит, что концепция самого транспортного средства не просто картинка — это плод серьёзной инженерной работы. Конструкция гексакоптера, показанного на изображении выше, довольно хорошо продумана. В Лаборатории реактивного движения рассматривали возможность простого масштабирования Ingenuity и превращения MSH в более крупный вертолёт соосной схемы. Но Баларам отметил, что были некоторые проблемы с управлением, которые, хотя и не являются неразрешимыми, но всё же делают конструкцию гексаротора более привлекательной. Планер гексакоптера будет несколько тяжелее соосной конструкции, но имеет своё преимущество: он сможет продолжать полёт с одним (или даже с двумя) неработающими несущими винтами.

Нынешний концепт MSH предполагает, что вертолёт будет иметь массу около 31 килограмма и общий диаметр чуть более четырёх метров, с шестью роторами, каждый с четвёркой лопастей по 0,64 метра. Полезная нагрузка в 5 килограмм превращает MSH в, как выражается Баларам, весьма привлекательный аппарат для размещения научных инструментов. MSH будет иметь максимальную скорость около 30 м/с, время зависания в пять минут или же дальность полета до 10 километров, а установленная сверху солнечная панель сможет заряжать его батареи в течение одного марсианского дня. Такой радиус и скорость полёта означают, что за несколько дней MSH сможет преодолеть такое же расстояние, какое марсоход Curiosity проехал за годы. JPLсо своими партнерами также проработали такие вещи, как дизайн лопастей, технологии изготовления аппарата и то, как MSH будет складываться внутри посадочной капсулы для входа в атмосферу, спуска и самой посадки. Есть даже концепция развёртывания вертолёта прямо в воздухе во время приземления на Марс, что позволит избежать дополнительных затрат на специальный посадочный модуль сложной конструкции.

Поскольку большая часть работы над MSH проводилась до того, как Perseverance и Ingenuity совершили посадку на Марсе, команда, занятая в этом проекте, узнала много нового о функционировании винтокрылых машин в атмосфере нашего красного соседа благодаря Ingenuity. Это повлияло на дизайнерские решения, применяемые в МSH. «Самой неопределённой переменной был вопрос о том, насколько мы можем полагаться на изображения с орбитальных аппаратов при выборе места посадки», — говорит Баларам. Ingenuity доказал, что такие изображения на самом деле довольно хороши для этого, и даже с учётом их относительно низкого разрешения можно найти довольно надёжные и безопасные места для посадки. Это означает, что MSH может не потребоваться столь сложная система обнаружения опасностей для выполнения автономных посадок, как у своего предшественника, что влечёт упрощение конструкции и экономию массы. Опыт Ingenuity также дал команде MSH больше уверенности в полётах в ветреную погоду. «Что касается эффективности управления, то Ingenuity превзошёл наши ожидания, — рассказывает Баларам, подводя к тому, что технические характеристики MSH могут быть немного более консервативными. – Смысл в том, чтобы немного упростить аппарат, потому что некоторые из трудноразрешимых проблем, которых мы опасались, вероятно, не столь сложны, как мы думали ранее. Так что этот столь ценный опыт используется при проектировании нашего научного вертолета».

Ingenuity также показал, как современное компьютерное оборудование и программное обеспечение можно использовать в космических аппаратах. Его статус демонстрационной технологии означал, что в JPL могли быть немного более креативными, чем обычно: Ingenuity оборудован процессором Qualcomm Snapdragon 801 под управлением Linux, что дало маленькому вертолёту в 150 раз больше вычислительной мощности, чем у марсохода Perseverance. Баларам хочет воспользоваться успехом Ingenuity, чтобы использовать такой же подход и с MSH: «Одна из вещей, которые мы продемонстрировали с его помощью, заключается в том, что даже несмотря на то, что это был по сути лишь демонстратор технологии, мы всё же смогли создать нужную степень избыточности с помощью продуманной вычислительной архитектуры. Вообразите использование процессоров, которые могут быть немного более уязвимыми с точки зрения защиты от излучения, но которые используют систему голосования для принятия решений и три из которых запускаются параллельно. Это даёт нам возможность поразмыслить о том, как мы хотим выполнять вычисления, которые не требуют использования громоздкого оборудования из 90-х — такой подход всё ещё консервативен, но не обязательно предполагает следование устаревшим лекалам. И нет никакой фундаментальной причины, по которой такие вещи не могут быть реализованы в вертолётах следующего поколения».

Достигая поставленных целей

В настоящее время марсианская программа NASA сосредоточена на возврате образцов грунта. И хотя подобный вертолёт вполне способен сыграть уникальную и достаточно важную роль в этом деле, это ни в коем случае не очевидный выбор. Если NASA не решит, что вертолёты на Марсе — это действительно лучший вариант, и не будет финансировать MSH напрямую, следующий подобный аппарат должен будет пройти через конкурентный процесс, в котором потенциальная научная польза сопоставляется со стоимостью, сложностью и риском. По словам Баларам, в данный момент концепция MSH достаточно зрелая для широкого круга потенциальных научных миссий; следующим шагом будет её оптимизация под сценарий конкретной задачи с учётом места посадки, времени года, общих её целей и ограничений.

Если же идея миссии по запуску флагманского вертолета на Марс кажется надуманной, важно помнить, что первый марсоход NASA также был всего лишь небольшим демонстратором технологий: речь идёт про Sojourner. При начальной продолжительности миссии в семь марсианских дней, аппарат оставался активным в течение 83 суток и помог NASA получить опыт и уверенность, необходимые для отправки на Красную планету сначала марсоходов Spirit и Opportunity, а затем и Curiosity с Perseverance.

Как и Sojourner, Ingenuity на самом деле является лишь небольшой демонстрацией возможностей научного вертолёта, и Боб Баларам считает, что эта концепция себя оправдала. «С учётом его высокой эффективности, я надеюсь, что NASA даст нам возможность взаимодействовать с Марсом совершенно по-новому с помощью MSH, — говорит Баларам. – Мы протестировали возможность полёта в атмосфере Марса. Мы приземлились в нескольких местах и немного полетали туда и сюда. Но давайте проверим наше воображение и представим, что мы могли бы сделать, если бы у нас был доступ сразу ко всей планете — чего бы мы могли достичь? Это самый настоящий вызов для всех нас — попытаться воплотить в жизнь наши мечты».