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.
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.
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.
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.
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.