Идея о том, что устойчивый полёт возможен в атмосфере другой планеты, близится к финалу. Новый проект NASA летательного дрона подтвердит или отвергнет идею о возможных полётах в разряженной атмосфере Марса. Вертолёт прибудет на борту нового марсохода Персеверанс, и приступит к испытательным полётам через пару месяцев после приземления в феврале 2021 года.
Новый проект NASA – полёт в марсианской атмосфере
Идея о полётах в атмосфере другой планеты не нова. Одни учёные выдвигают идеи о воздушных путешествиях в атмосфере красной планеты. Вторые, разрабатывают конструкцию надувного планера. А сотрудники NASA воплощают проекты в жизнь.
Орбитальные и планетарные аппараты предоставили великолепные снимки Марса с орбиты и поверхности планеты. Виды с орбитальной высоты передают планету в целом, а вот марсоходы ограничены видом, границами холмов. Чтобы наземные миссии были более продуктивными, требуется разведка местности за пределами этих границ. И таким разведывательным дроном в случае успеха станет мини вертолёт.
Новые возможности заглянуть за пределы следующего холма будет иметь решающие значение в будущих исследованиях планеты. В NASA был запущен новый проект Mars Helicopter Scout сокращённо MHS, в переводе с английского — Марсианский вертолёт-разведчик. Работа над проектом велась с августа 2013 года. Перед разработчиками стояла сложная задача. Как побороть марсианскую атмосферу, чтобы дрон смог зацепиться своими лопастями за воздушную среду Марса. С одной стороны гравитационное притяжение на Марсе примерно треть от земного, что делает аппарат легче. С другой стороны, атмосфера настолько тонкая, что требовало от разработчиков сделать дрон при малых габаритах более мощным, способным зависать над поверхностью планеты. После ряда тестов и подтверждения работоспособности вертолёта в условиях близких к марсианским, Mars Helicopter Scout был включён в миссию Персеверанс.
Вертолёт NASA получил имя Ingenuity (Изобретательность)
Эссе Ванеезы Рупани стало финалистом в конкурсе «Назови ровер» с именем Изобретательность. Среди девяти финалистов, одному выпала честь назвать новый марсоход, победителем стал Александр Майзер. Эссе конкурсантов были настолько интересны, это дало повод дать имя второму участнику миссии. Ровер Настойчивость будет путешествовать в паре с другим аппаратом Helicopter. Имя для марсианского вертолёта Ingenuity (Изобретательность) Ванеезы Рупани было выбрано среди оставшихся восьми финалистов администратор NASA Джимом Бриденстайном. Он отметил, что имя отражает суть аппарата, которую он продемонстрирует в атмосфере красной планеты.
Будет ли вертолёт работать на Марсе?
Воплотить идею о том, что марсианская атмосфера сможет поддерживать аппараты способные маневрировать в столь разряженной атмосфере имеет большие риски. Прежде всего, связанно это с тем, что плотность марсианского воздуха составляет менее 1% плотности атмосферы Земли, такие условия на нашей планете встречаются на высоте 30500 метров. Но так высоко вертолёты не летают на Земле, у них просто не хватает тяги. Максимальный подъём на Земле, который покорил вертолёт, составляет 12442 м. На эту высоту поднялся француз Жан Булев 1972 году. Для обычных полётов максимальная высота подъёма не превышает 3500 метров. И это делает полёт на Марсе действительно сложным.
Чтобы полёт стал возможным в условиях красной планеты аппарат должен быть настолько мощным и лёгким, чтобы иметь, возможность зацепиться своими лопастями за столь тонкую атмосферу Марса. Получить такую комбинацию стало возможным с развитием новых технологий и материалов ранее недоступных.
Развитие технологий даёт возможности сделать полёт на другой планете возможным. Миниатюрная электроника, более прочные, лёгкие конструкции высокоэнергетические аккумуляторы, эффективные солнечные батареи ранее недоступные делают Ingenuity легче. А в условиях гравитационного притяжения изучаемой планеты аппарат будет весить ещё в 2.6 раз меньше.
Но даже при всём этом, чтобы Ingenuity создал подъёмную силу для полёта, в тонкой атмосфере нужен большой винт. Работа над уменьшением веса и подъёмной силы велась 4 года. В итоге Ingenuity (Изобретательность) имеет два винта вращающихся в разные стороны на скорости почти 50 оборотов в секунду, а это больше в 10 раз, чем у вертолётов на Земле.
Будем надеяться, что этого будет достаточным, и мы в ближайшее время увидим полёт вертолёта над красной планетой.
Как летают вертолёты
В базовой модели винт вертолёта захватывает воздух лопастями и отталкивает его вниз. Набегающий поток воздуха создаёт разницу давления под и над лопастью – так возникает подъёмная сила. Если лопасти повернуть подъёмная сила вырастит и когда она превысит силу тяжести, вертолёт взлетит. Для того чтобы двигаться вперёд, наклон лопасти одного винта будет уменьшаться и создавать меньшую силу тяги когда будет проворачиваться над носом вертолёта, он будет наклоняться и лететь вперёд. Точно также управляют вправо, влево, где угол наклона лопасти меньше туда и полетим.
Почему у Ingenuity (Изобретательность) нет хвостового ротора
Базовые модели вертолётов на Земле имеют хвост оборудованный винтом. Хвост, является не только органом управления для разворота, но и предотвращает вращения, в направлении вращения винта сверху. Поскольку крутящий момент вращающегося сверху ротора, заставляет его вращаться в одном направлении, ротор на хвосте создаёт обратную тягу.
Почему тогда у Ingenuity нет хвостового ротора? Всё дело в том, что вертолёт для Марса должен иметь, как можно меньший вес, а дополнительный хвост утяжелил бы его. Ingenuity снабдили коаксиальной системой роторов — два винта расположенные друг над другом вращающихся в противоположных направлениях. Поскольку два ротора вращаются в противоположных направлениях, вращение дрона вдоль оси сводится к нулю и не требует хвостового ротора. Избавление от хвоста позволило сделать Ingenuity меньшим размером и сэкономить место под ровером для транспортировки на красную планету.
Как будет летать марсианский вертолёт
Конструкция марсианского вертолёта NASA имеет коаксиальные роторы – представляет собой два винта расположенных друг над другом (соосная схема). Как уже описали выше, такая система не требует хвоста и имеет более компактный вид.
Разработчики создали довольно шуструю модель, скорость вращения роторов для передвижения в атмосфере Марса составит 2400 оборотов в минуту при максимально возможной 2800 оборотов.
Для совершения лётных манёвров: полёт вверх, вперёд, вправо, влево соосная схема имеет автомат перекоса – принцип работы следующий. Допустим мы хотим направить дрон к определённой цели, для этого лопасть винта проворачиваясь в направлении этой цели будет кратковременно менять свой наклон создав меньшее давление воздуха под лопастью, дрон наклонится к цели и полетит в этом направлении. Что касается взлёта, и посадки то здесь наклон каждой лопасти будет меняться на всех лопастях. Наклон лопасти с большим углом будет больше захватывать воздух и отталкивать его вниз, это позволит аппарат поднять вверх, уменьшение угла позволит опустить его вниз. Для более полного понимания принципа действия соосной схемы предлагаем взглянуть на видео.
Что будет делать вертолёт NASA на Марсе
Марсианский вертолёт Ingenuity (Изобретательность) — это технологическая демонстрация, результат слаженной работы группы людей, создавшие сложнейший аппарат способный летать на другой планете. Проект Mars Helicopter Scout будет иметь огромное значение в будущих миссиях, но пока его цели не такие обширные.
Основные цели проекта:
- Доказать, что в более тонкой атмосфере Марса могут летать аппараты тяжелее воздуха.
- Демонстрация полёта миниатюрной технологии, взлёта и посадки дрона в атмосфере другой планеты.
- Проверка воздушной низколетящей разведки – передача изображений с десятикратным увеличением местности.
- Проверка автономной работы мини разведчика.
Подготовка к полёту
В феврале 2021 года Ingenuity прикреплённый к животу ровера прибудет вместе с марсоходом Персеверанс на красную планету. Общая оценка местности позволит выбрать место для запуска Helicopter Scout, чтобы опустить его на грунт через пару месяцев после приземления.
После выбора местности марсоход получит команды и выполнит сброс защитного купола, который прикрывает Ingenuity. Затем он спусти вертолёт на грунт. После этого Персеверанс отъедет на безопасное расстояние, чтобы исключить риски столкновения с ровером во время испытательного полёта и исключить возможность попадание пыли на инструменты ровера. Безопасное расстояние составит около 100 метров.
Продолжительность полётов
В планах NASA запланировано пять демонстративных полётов в течении 30 дневного периода. Продолжительность полётов рассчитаны на две – три минуты, все остальное время он будет подзаряжать свои батареи. Во время тестов марсоход Персеверанс будет фиксировать все этапы полётов. Камера также будет снимать и на дроне. И скоро мы увидим множество отличных снимков и возможно видео о том, как вертолёт совершает полёт в атмосфере чужой планеты.
- Первый полёт проверит — сможет ли Ingenuity подняться с земли и зависнуть в атмосфере планеты. Он поднимется на 3 метра и попробует продержаться на данной высоте 30 секунд.
- Второй полёт проверит — как долго он сможет это делать.
- Продолжительность следующих полётов будут постепенно увеличивать от 3 до 10 метров над землёй. Следующие полёты будут связаны с маневрированием вокруг ровера на расстоянии до нескольких сотен метров и продолжительностью до трёх минут.
Всем процессом будет руководить ровер, принимая команды с Земли и отправляя их испытуемому Ingenuity который будет самостоятельно выполнять свою лётную миссию.
Характеристики Ingenuity
Ingenuity «Изобретательность» создан мощным и лёгким, чтобы взлетать в тонкой суровой атмосфере Марса. Он автономный, способный летать без контроля человеком. В своих размерах был ограничен до 1.2 метра пространством доступным на днище ровера. Поэтому максимальный размер его лопастей не превышает 1.2 метра, а этот размер в свою очередь ограничил его вес. Основной вес всего аппарата составляют литий-ионные аккумуляторы и винты.
Технические характеристики
Габаритные размеры:
- Корпус куб: 14 см с каждой стороной.
- Винты: 120 см.
- Высота: 80 см.
Посадочная масса:
- Вес: 1,8 кг на Земле и 0.69 кг на Марсе.
- Батареи: 273 г.
Радиус радиосигнала: 1000 м, скорость передачи 250 кбит/с.
Лётные характеристики
- Число оборотов: 1900–2800 в минуту.
- Максимальная дальность полёта: 300 м.
- Максимальная высота взлёта: 10 м.
- Максимальная горизонтальная скорость: 10 м/с.
- Вертикальная скорость: 3 м/с.
Чем оборудован марсианский вертолёт
Дрон Ingenuity не оснастили никакими научными приборами, да и это не нужно ведь его предназначение проверить возможность передвижения по воздуху.
Его оснащение ограничено:
- Навигационной чёрно – белой камерой.
- Цветной камерой с более высоким разрешением для аэрофотоснимков.
- Лазерным высотомером.
- Инерциальными датчиками для автономного полёта.
- Солнечной панелью.
- Шестью литий-ионными аккумуляторами.
- Обогревателями электроники.
- Системой связи.
Будущие планы по результатам миссии
Успех Ingenuity сыграет большую роль в разработке более способных дронов. Следующее поколение может быть более масштабными моделями, иметь полезную нагрузку и быть независимыми от ровера, а принимать и отправлять сигнал сразу на орбитальный спутник. Идея о том, что в атмосфере Марса могут летать воздушные судна, имеет большой потенциал:
- Разведка местности с низким уровнем полёта.
- Вести наблюдение, посетить недоступные районы.
- Искать препятствия на пути движения ровера прокладывать им маршруты.
- Перевозить небольшие грузы.
- Забрать и доставить до места возврата образцы собранные Персевирэнс.
- Такие аппараты не ограничатся только Марсом, луна Сатурна Титан может стать следующим кандидатом для посещения летательным дроном.
Демонстрационная миссия Ingenuity (Изобретательность) 2021 года действительно впечатляет. Тот факт, что воздушные дроны смогут летать в небе чужой планеты, захватывает. Когда-то на Земле братья Райт совершили подобный подвиг, своим первым 12-ти секундным полётом доказав, что аппараты тяжелее воздуха могут летать. Сегодня этот успех NASA хочет повторить на другой планете, что непременно откроет множество возможностей в освоении космоса.
По материалам Wikipedia