Наука29 апреля 2021 17:30

День марсианской авиации круче, чем День десантника

Вертолет Ingenuity совершил первый полет в атмосфере Красной планеты, плотность которой составляет 1 процент от земной
Чтобы подняться в воздух в разреженной атмосфере Марса, скорость вращения винтов вертолета должна быть в 5 раз выше, чем на Земле. Фото: JPL-Caltech/NASA

Чтобы подняться в воздух в разреженной атмосфере Марса, скорость вращения винтов вертолета должна быть в 5 раз выше, чем на Земле. Фото: JPL-Caltech/NASA

На прошлой неделе все прогрессивное человечество отмечало День рождения марсианской авиации. 19 апреля 2021 года впервые на другой планете поднялся в воздух летательный аппарат, созданный людьми, - им стал миниатюрный вертолет Ingenuity («Изобретательность»). Он прибыл на Марс в феврале этого года вместе с новым марсоходом Perseverance («Настойчивость»). Первый марсианский воздушный полет, безусловно, событие исторические, и инженеры NASA, понимая всю его значимость, немного сыграли на публику, организовав «эстафету эпох». Они прикрепили к кабелю марсолета небольшой - размером с почтовую марку - кусочек небеленого муслина, ткани с обшивки самолета Flyer братьев Райт. На этом аппарате 17 декабря 1903 года братья совершили первый в истории полет. Однако полет Ingenuity не только историческое событие, это еще решение невероятно сложной инженерной задачи. Ведь операторам приходится управлять техникой на расстоянии многих миллионов километров, разделяющих Землю и Марс.

Что вы знаете об удаленной работе?

Первоначально полет марсолета был назначен на 11 апреля. Однако дрон «Изобретательность» не прошел предполетный тест на раскрутку винтов. Атмосфера Марса очень разряжена, ее плотность составляет менее 1 процента земной. Поэтому, чтобы вертолетик массой 1,8 килограмма (на Марсе он весит 680 граммов, там сила тяжести меньше) поднялся в небо, скорость вращения винтов должна быть гораздо выше, чем на Земле (2400 оборотов в минуту). Марсолет развить такую скорость не мог. Выяснилось, что ситуацию можно исправить, если дописать программу. Но как это совершить на другой планете?

Луноходный принцип управления техникой, который советские инженеры использовали во время лунной программы, на Марсе неприменим. Тогда, в 70-х годах, прошлого века управление луноходами осуществлялось в ручном режиме в реальном времени, пусть и с небольшой задержкой (Луну и Землю разделяют 384 тысячи километров). На Марсе все совсем по-другому.

Минимальное расстояние между Марсом и Землей составляет 55,76 млн километров - такое сближение планет происходит раз в 15 - 17 лет. А когда планеты расходятся по дальним точкам своих орбит, расстояние увеличивается до 401 млн километров. Это пространство радиосигнал преодолевает примерно за 22 минуты. Но заметьте, при этом в отличие от вас никто из команды NASA не жалуется на трудности удаленной работы.

Но это еще полбеды. Проблема в том, что ни у марсохода Perseverance, ни тем более у мини-вертолета не хватает мощности, чтобы напрямую общаться с Землей. Поэтому выстраивается следующая цепочка: вертолетик по радиосвязи обменивается данными с марсоходом, а тот, в свою очередь, поддерживает связь с Землей через спутники. Сеансы связи продолжительностью около 10 минут возможны только когда спутники оказываются в прямой зоне видимости марсохода. Таким образом, большую часть суток марсианские роботы оказываются вне зоны доступа, поэтому инженеры отказались от ручного управления и используют пошаговую программу. Это значит, что во время сеансов связи на борт марсохода забрасывается пакет с командами, а дальше он действует самостоятельно (см. схему).

Первый полет строился по простой схеме. Аппарат поднялся на высоту 3 метра, завис на какое-то время, совершил разворот, а затем плавно опустился на поверхность. Продолжительность полета составила около 40 секунд.

Команда марсианского вертолета ликует: телеметрия показала, что он все-таки взлетел! Фото: JPL-Caltech/NASA

Зачем там нужен вертолет

В перспективе задача марсианского вертолетного флота - это поддержка миссий с воздуха, разведка местности, научные исследования. Дело в том, что этот пошаговый режим управления марсианскими роботами очень неудобен. Выглядит это так: сначала марсоход забрасывает в Центр управления пакет данных, которые включают в себя фото, видео и 3D-панораму навигационных камер. На Земле операторы изучают, что приборы видят вокруг, и принимают решение, куда нужно направить марсоход. Аппарат получает порцию инструкций и отправляется в самостоятельный путь. Но в таком режиме слепого вождения марсоход едет очень медленно - со скоростью 2,4 метра в минуту. Собственно, чтобы ускорить процесс освоения Марса, там и планируют использовать вертолеты.

Дрон значительно более мобилен. Даже нынешний демонстрационный образец за 90 секунд полета способен пролететь 300 метров и вернуться обратно (марсоход за один цикл работы перемещается максимум на несколько десятков метров). Полученные с воздуха данные позволят строить более точную карту местности, соответственно скорость движения марсохода должна увеличиться. Поскольку операторам лучше будут видны ловушки - камни, неровности местности, песчаные дюны, где некоторое время назад увяз и закончил свой марсианский путь другой марсоход, «Спирит».

Но это все в будущем. Пока же в программе работы вертолета запланировано всего пять полетов. По их итогам NASA примет решение, имеет ли смысл развивать марсианское вертолетостроение. Дело это дорогое, нынешний образец обошелся в 23 миллиона долларов. Поэтому все за и против нужно будет тщательно взвесить.

Как ученые с Земли починили марсианский вертолет.

Фото: Дмитрий ПОЛУХИН

ТТХ марсолета

Вес - 1,8 килограмма на Земле и 680 граммов на Марсе.

Максимальная дальность полета - 300 метров.

Максимальная высота полета - 5 метров.

Диаметр винтов - 1,2 метра.

Мощность двигателя -350 Вт.

Максимальная продолжительность полета - 90 секунд.

Оборудование - камера для навигации и камера высокого разрешения для фотосъемки.

Питание - дрон получает энергию от солнечных батарей.