Воскресенье, 3 марта, 2024

16+

Вертолетик, который смог. История создания Ingenuity

Время на чтение 8 мин.

Вертолет Ingenuity стал первым в истории летательным аппаратом, который поднялся над поверхностью другой планеты. Чтобы осуществить миссию, разработчикам не только пришлось решить множество инженерных задач, но и преодолеть сопротивление коллег, которые не принимали проект всерьез и беспокоились, что межпланетная игрушка помешает запланированным научным исследованиям.

Минивертолеты и число Рейнольдса

В 1997 году Ларри Янг, изучавший технологию винтокрылых машин в Исследовательском центре Эймса NASA, заинтересовался вопросом: а может ли вообще вертолет летать на Марсе? Изначально Янг был настроен скептически, однако, изучая проблему детальнее, пришел к выводу, что небольшие аппараты действительно способны передвигаться в марсианской атмосфере. Небольшие — значит массой до 100 килограммов. Тесты в лаборатории, воспроизводящей марсианские условия, подтвердили эти выводы. В 2002 году Янг предложил использовать вертолеты в качестве марсианских разведчиков, но идея не нашла поддержки и финансирования.

Независимо от Янга инженеру JPL Бобу Балараму пришла в голову интересная идея. Слушая доклад о перспективных миниатюрных вертолетиках на конференции в Сан-Франциско, Баларам понял, что число Рейнольдса для таких мини-аппаратов будет примерно таким же, как у вертолетов с большими лопастями в разреженной атмосфере. Число Рейнольдса показывает, как жидкость или газ ведут себя, обтекая то или иное тело. Применительно к аэродинамике оно зависит от скорости, размера и формы летательного аппарата, а также от плотности и вязкости воздуха. Для устойчивого полета разработчикам необходимо определить оптимальное число Рейнольдса для аппарата.

Однако и разработки Янга, и идеи Баларама до поры до времени пылились без дела. В 2012 году инженер Мими Аунг сопровождала будущего директор JPL Чарльза Элачи во время посещения отдела автономных систем. В частности, ему показали дроны, на которых испытывали разработанные инженерами алгоритмы для автономной навигации. Элачи спросил: «Эй, почему нам не сделать такие для Марса?» Баларам тут же высказал свою идею, и через неделю Элачи выделил деньги на дальнейшую проработку вопроса.

Идея одобрена

Боб Баларам увлекся космосом еще в детстве, которое пришлось на 1960-е — годы величайших достижений в освоении околоземного пространства. В восьмилетнем возрасте мальчик восхищенно наблюдал за высадкой на Луну и загорелся желанием работать в NASA. Окончив Индийский технологический институт в Мадрасе, он переехал в Нью-Йорк. После получения докторской степени инженера-системотехника Баларам приходит на работу в Лабораторию реактивного движения (JPL) NASA.

Работая в подразделении автономных систем, Баларам на протяжении 30 лет занимается разработкой систем посадки, дистанционного управления и перемещения по поверхности, которые использовались на нескольких роверах, отправленных на Марс. В 2015 году, после нескольких лет предварительных исследований, NASA выделило финансирование на создание полномасштабной модели будущего марсианского вертолета.

Вертолетик, который смог. История создания Ingenuity
Ingenuity в чистой комнате JPL. Фото: NASA

Инженеры хотели создать такое устройство, которые могло бы дополнять работу ровера, передвигаясь по местности быстрее и обеспечивая лучший обзор, а также достигая труднодоступных мест. Концепция вертолета подходила идеально, так как он может взлетать и садиться вертикально, а также летать в любом направлении.

Однако создание вертолета для Марса представляло собой большой инженерный вызов, так как марсианская атмосфера очень разреженная. Это означает, что вертолету нужны очень легкий корпус и большие лопасти, которые могли бы вращаться с высокой скоростью, чтобы создать достаточную подъемную силу. Кроме того, требовалось обеспечить высокую степень автономности, так как связь происходит с большой задержкой. Поэтому вертолету предстояло летать полностью самостоятельно по программе, заранее написанной и переданной операторами с Земли.

Разработка вертолета Ingenuity длилась несколько лет, в течение которых инженеры NASA совместно со специалистами компании AeroVironmnet проводили множество испытаний и модификаций, чтобы сделать аппарат максимально приспособленным к марсианским условиям. JPL отвечала за программную часть, AeroVironment собирала сам вертолет. Мими Аунг руководила проектом, а Боб Баларам занял пост главного инженера.

Вертолетик, который смог. История создания Ingenuity
Руководитель операций Тедди Цанетос (слева), Мими Аунг и Боб Баларам наблюдают за тестовом полетом вертолета. 2019 год. Фото: NASA

Финальный дизайн вертолета состоял из фюзеляжа в форме параллелепипеда размерами 136 х 195 х 163 миллиметра, двух пар вращающихся в противоположных направлениях роторов диаметром 1,2 миллиметра и четырех упоров длиной 384 миллиметра каждый. Венчает аппарат солнечная панель, а в высоту он чуть меньше полуметра. На Земле вертолет весит 1,8 килограмма, на Марсе — 680 граммов.

Чтобы обеспечить полет в разреженной атмосфере, лопасти вращаются со скоростью около 2,5 тыс. (максимум — 2,7 тыс.) оборотов в минуту — для земных вертолетов этот показатель не превышает 500. Солнечная панель заряжает литий-ионные аккумуляторы, а две установленные камеры позволяют ориентироваться в пространстве и делать снимки. На вертолете также установлен собственный компьютер, который обрабатывает данные с датчиков и принимает решения во время полетов. Аппарат не может самостоятельно связываться с Землей и использует марсоход в качестве ретранслятора.

Полезная нагрузка или балласт?

В 2018 году NASA приняло решение добавить вертолет в одобренную еще в 2014 году программу «Марс-2020». Команда JPL пообещала, что успеет протестировать и доработать аппарат к моменту старта. Разработка вертолета стоила 80 миллионов долларов, еще пять миллионов выделили на операционные расходы на 30 дней его пребывания на Марсе. В апреле 2020 года аппарат получил название Ingenuity — его предложила школьница из Алабамы Ваниза Рупани, победившая в конкурсе, объявленном NASA.

Вертолет потребовал изменения конструкции уже спроектированного марсохода Perseverance. Ingenuity разместили под брюхом ровера, а сам марсоход оснастили устройством выгрузки и станцией для радиосвязи.

Идея добавить вертолет к уже готовой миссии вызвала недовольство как в руководстве NASA, так и среди сотрудников JPL. Так, главный научный руководитель программы «Марс 2020» Кеннет Фарли, заявил:

Я лично был против этого, потому что мы очень усердно работаем над повышением эффективности миссии, и трата 30 дней на демонстрацию технологии не способствует достижению этих целей напрямую с научной точки зрения.

Скептицизм в NASA поддерживался еще и тем, что вертолет был лишь демонстратором технологий. Его полеты должны были доказать принципиальную возможность полетов на Марсе, и более ничего. Многие считали, что тратить на это ресурсы и время работы марсохода — неоправданное расточительство, когда у Perseverance есть важная научная задача по сбору образцов марсианского грунта. Кроме того, под сомнение ставилась и возможность Ingenuity служить разведчиком для ровера.

Впрочем, скептикам не удалось заставить NASA отказаться от вертолета.

Вертолетик, который смог. История создания Ingenuity
Проверка систем Ingenuity в Космическом центре имени Кеннеди. Фото: NASA

Здравствуй, Марс!

Ingenuity и Perseverance совершили посадку на Марс 18 февраля 2021 года. Перед первым полетом вертолет отделился от ровера, опустился на поверхность Марса и активировал свои системы.

Первый полет Ingenuity состоялся 19 апреля 2021 года и стал историческим событием. Вертолет поднялся на высоту около 3 метров и провел в воздухе около 20 секунд. Этот полет доказал, что вертолет может летать на Марсе и выполнять свою миссию.

После 30-дневного испытательного срока NASA продлило миссию Ingenuity. В итоге аппарат функционировал на Марсе целых три года! Вертолет совершил 72 полета, преодолел около 17 километров, поднимаясь на максимальную высоту 24 метра.

NASA назвало полет достижением, сопоставимым с полетом первого самолета братьев Райт. К проводу внутри солнечной панели вертолета даже прикрепили небольшой кусочек полотна с крыла Flyer 1, а площадку, откуда Ingenuity впервые поднялся в марсианское небо, назвали Полем братьев Райт.

Вертолетик, который смог. История создания Ingenuity
Кусочек муслина с левого нижнего крыла Flyer 1 прикреплен к кабелю темно-оранжевой полиамидной лентой и дополнительно зафиксирован стяжками и каплей эпоксидной смолы, чтобы крепление не разрушилось от вращения лопастей вертолета. Фото: NASA

ИКАО — международная организация гражданской авиации —  присвоила этому «аэродрому» официальный код JZRO (от названия кратера Езеро, где он находится), а Ingenuity — уникальный идентификатор IGY.

Команда, разработавшая и управлявшая Ingenuity, в 2021 году была награждена премией Джона Свигерта-младшего за исследование космоса, а в 2022-м ей присудили приз Кольера за выдающееся достижение в области аэронавтики и астронавтики.

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь