Гелікоптер, який зміг (11 фото)

Безпілотний роботизований апарат Ingenuity (Винахідність) був першим літальним апаратом, який підкорив Марс.

Саме гелікоптер здійснив перший контрольований політ над поверхнею іншої планети.





Першою проблемою розробки такого вертольота стала розрідженість марсіанської атмосфери. Її тиск у поверхні в 160 разів менший за земний – у нас таке спостерігається приблизно на висоті 30 км. Втім, для роботи гвинта важливий не стільки тиск, скільки щільність робочого середовища. На Червоній планеті вона становить близько 20 г/м3 – у 61 раз менше, ніж на поверхні Землі (1225 г/м3). Утриматися в такому середовищі зовсім не те саме, що злітати у звичайному режимі.

Щоб отримати в розрідженому повітрі Червоної планети таку ж підйомну силу, як у поверхні Землі, потрібно збільшити швидкість обтікання лопатей газом у 7,8 рази (квадратний корінь із 61) – іншими словами, гвинт повинен обертатися у стільки ж разів швидше. Втім, цифра може зменшитися, оскільки опір марсіанської атмосфери нижчий, та й гравітація там на 62% слабша за нашу.



Для створення потрібної на такій висоті аеродинамічної сили гвинти повинні обертатися в рази швидше за звичайне - настільки, що їх кінчики будуть рухатися з надзвуковою швидкістю.

Швидке обертання у розрідженій атмосфері породжує нові проблеми, включаючи знаменитий ефект Джанібекова. Щоб компенсувати цю силу, до лопат Ingenuity довелося додати противаги - порожнисті вуглеволоконні конуси з вольфрамовими кульками на кінці.

Пару таких гвинтів інженери з'єднали співвісно, ​​розташувавши один над одним на вертикальній щоглі, яка стала основою, «хребтом» вертольота. Зверху на щоглі змонтовано сонячну батарею ефективною площею 544 кв. см, що дозволяє накопичувати близько 40 Вт · год за світловий день (хоча згодом через забруднення марсіанським пилом її продуктивність помітно знизилася). Далі розташована колонка з двох гвинтів, а під нею - кубічний фюзеляж з відсіком для авіоніки і електроніки, що обігрівається.





Крім того, гелікоптер мав працювати в особливих умовах: середньорічна температура на поверхні Марса становить близько –63 °C. Так, іноді Сонце прогріває місцеве повітря до плюсових значень, але, щоб електроніка могла переносити крижані ночі, необхідно передбачити обігрів. Нарешті, не можна відмахуватися від знаменитих пилових бур, які здатні знизити ефективність сонячних батарей або просто забити частини, що рухаються, дрібним піском і пилом.



Кожен гвинт апарату рухається власним електродвигуном «ручного» виробництва. Тонкий мідний дріт прямокутного (для більшої щільності) перерізу намотувався на статор спеціальними працівниками, які контролювали процес, стежачи за укладанням через мікроскоп.

Отже, розробники створили апарат, який завдяки швидкому обертанню пари міцних, урівноважених гвинтів може невисоко злетіти над Марсом і навіть готовий самостійно добувати собі енергію. Але щоб політ був успішним, його слід контролювати. А при надшвидкісному обертанні аеродинамічні сили замалі в порівнянні з інерцією самих гвинтів. Тому вся система реагує на управляючі сигнали зовсім інакше, ніж стандартні коптери Землі.

Зазвичай для марсоходів та інших міжпланетних місій, які мають працювати в умовах підвищеної радіації, американські компанії вибирають RAD750 – радіаційно стійкий одноплатний комп'ютер на базі однойменного процесора. Однак для Ingenuity цей варіант виявився надто громіздким та важким.

У NASA вирішили використовувати замість одного комп'ютера блок із п'яти друкованих плат, з'єднаних у куб. Їхні зони відповідальності: управління бортовими батареями, навігація та сервоприводи, телекомунікація, енергопостачання, управління польотом. При цьому на плати встановлені процесори Snapdragon 801 та двоядерні Hercules. У результаті за сумарною обчислювальної потужності невеликий вертоліт Ingenuity істотно перевершив важкі марсоходи Perseverance.



Енергія для підігріву блоку, що управляє, надходила від сонячної батареї через літій-іонні акумулятори. На світлі вони заряджалися безперервно, і спочатку було достатньо. Однак на 427-й сол (марсіанська доба), коли термін роботи Ingenuity перевищив запланований, ефективність батарей знизилася настільки, що одержуваної енергії вже не вистачало для підігріву протягом усієї ночі, тим більше, що на Червоній планеті настала зима. Фахівцям NASA вдалося оперативно «перепрошити» програму контролю температури, що дозволило гелікоптеру пропрацювати ще сотні сол.

Ingenuity стартував до Марса разом із марсоходом Perseverance («Наполегливість») у 2020 році. Політ тривав сім місяців, посадка відбулася в лютому 2021-го близько 50-кілометрового кратера Єзеро (судячи з усього, у давнину його заповнювала вода, тому вчені вкрай цікавляться цим районом). Проїхавши невелику відстань, марсохід вибрав зручне місце та вивантажив дрон. Під час перельоту він перебував під днищем марсохода.



19 квітня 2021 року став історичним днем ​​для людства. О 19:34 UTC "Ingenuity" здійснив свій перший політ з використанням двигуна, здійснений в іншому світі. Він тривав 39,1 секунди, і під час нього гелікоптер піднявся на 3 метри, а швидкість обертання його лопат перевищила 2500 обертів на хвилину.

Гелікоптер злетів і знову приземлився в точці зльоту, що отримала символічну назву «Поле братів Райт». Потім злітав ще понад 70 разів – і це за п'яти.



Перші чотири польоти «Ingenuity» здійснювалися за схемою «злетіли-сіли» в одній точці. Але вже під час четвертого польоту Ingenuity просунувся по горизонталі на 266 метрів уперед і прилетів назад.

У п'ятому польоті, що відбувся 7 травня, «Ingenuity» вперше приземлився у точці, яка відрізняється від точки зльоту. Цей політ завершив етап демонстрації технологічної можливості використання подібних літальних апаратів у атмосфері Марса.



Піщана територія. Зображення зроблено під час 70-го польоту 22 грудня 2023 року.

«Ingenuity» літав усе вище, все далі й швидше, але ніколи не віддалявся далі кілометра від марсохода для підтримки з ним постійного зв'язку, оскільки сам по собі відважний гелікоптер не може безпосередньо зв'язатися із Землею чи марсіанськими орбітальними апаратами.

"Ingenuity" переміщався за своєю власною програмою, іноді випереджаючи "Perseverance", іноді слідуючи за ним, і в кількох випадках продемонстрував свою крайню цінність як чудовий спостерігач, аналізуючи місцевість, яку повинен був перетнути марсохід.

18 січня керівники місії вирішили зробити ще один невеликий стрибок тривалістю півхвилини з набором висоти 12 метрів без горизонтального усунення, щоб перевірити стан систем.

«Ingenuity» піднявся у свій 72-й політ і, досягнувши висоти 12 метрів, залишався нерухомим в тому самому положенні протягом 4,5 секунди, після чого приступив до зниження зі швидкістю 3,6 км/год. На жаль, цьому етапі навігаційна система знову втратила орієнтацію. І, найімовірніше, виконала маневр ухилення, вважаючи, що вона рухається горизонтально щодо землі, хоча насправді її горизонтальна швидкість дорівнювала нулю.

В результаті вертоліт нахилився, і одна з його лопат зіткнулася з ґрунтом, що призвело до її пошкодження.



Тінь від пошкодженої лопаті.

Що ж ми маємо у результаті? Марсіанський гелікоптер «Ingenuity» здійснив 72 польоти в небесах Червоної планети, подолавши відстань 17 кілометрів. Загалом він залишався у повітрі понад дві години, а точніше 128,8 хвилин. Робот досяг максимальної висоти 24 метри та максимальної швидкості 36 км/год.



Марсохід Perseverance (зліва зверху) на краю кратера Бельва, знімок «Ingenuity» з висоти 12 метрів, зроблений 22 квітня 2023 (772 сол). Тінь вертольота можна побачити у центрі зображення

Вижити так довго на Марсі - це теж величезний успіх. Завдяки успіху «Ingenuity» НАСА вирішило включити два вертольоти до програми MSR (Mars Sample Return), метою якої буде доставка зразків марсіанського ґрунту на Землю.