Слабая атмосфера, жестокие морозы и никакой помощи с Земли: в каких условиях придётся летать вертолёту на Марсе

Первый полёт NASA назначило на 11 апреля, но вопросов об операции накопилось предостаточно.

В феврале на поверхность Марса благополучно сел ровер Perseverance («Настойчивость»). Его основная задача — поиски признаков жизни. Для этого Perseverance будет исследовать марсианский грунт «на месте», а также бурить его, извлекать образцы и готовить их к первой в истории доставке на Землю в 2031 году.

Помимо этого, на Perseverance возложена ещё одна историческая миссия. С его помощью учёные NASA хотят запустить вертолёт Ingenuity («Изобретательность») — первый атмосферный летательный аппарат на другой планете. Всего запланировано пять полётов, первый из них должен состояться 11 апреля.

Выглядит первый полёт Ingenuity совсем нехитрым делом. Вертолёт должен оторваться от поверхности, взлететь на три метра и продержаться так 30 секунд, после чего сесть обратно на грунт. Но то, что очень просто сделать на Земле, на Марсе оборачивается чередой сложностей.

Ровером Perseverance управляют специалисты NASA с Земли, получая от него поток телеметрии и посылая взамен команды управления. Для этого марсоходу хватает бортового компьютера с одноядерным PowerPC-процессором с частотой 200 МГц, 256 МБ оперативной памяти и флеш-накопителем объёмом 2 ГБ.

Perseverance передаёт данные спутнику MRO на орбите Марса со скоростью до 2 МБит/сек. Спутник же держит связь с Землёй через систему Deep Space Network (сеть дальней космической связи). Это большие радиоантенны в США, Испании и Австралии. При надобности марсоход может и сам напрямую связаться с Землёй через Deep Space Network со скоростью до 3000 бит/сек.

Сейчас между Землёй и Марсом более 270 миллионов километров. На то, чтобы пройти от Земли до Марса и обратно, радиосигнал тратит не меньше получаса. При таком «пинге» управлять марсоходом очень трудно, а вертолётом и вовсе невозможно. Максимальное время полёта Ingenuity — всего полторы минуты. Батарея вертолёта сядет в 20 раз быстрее, чем он дождётся следующей команды с Земли.

Поэтому марсианский вертолёт должен будет летать сам, анализируя видеопоток с маленькой камеры и корректируя полёт в реальном времени. Задача весьма ресурсоёмкая, так что на Ingenuity поставили компьютер помощнее: 4-ядерный процессор с частотой 2,26 ГГц, 2 ГБ оперативной памяти и флеш-накопитель на 32 ГБ.

Для специалистов NASA полёты Ingenuity будут проходить практически вслепую. У них не будет возможности знать, всё ли в порядке — вертолёт не может передавать телеметрию в полёте. Так что специалистам останется лишь ждать, как отработают заранее написанные программы, не имея никакой возможности что-то поправить «на ходу».

4 апреля марсоход опустил Ingenuity на грунт и отъехал в сторону, чтобы не мешать будущим взлётам и посадкам. Вертолёт остался один на один с марсианскими ночами, во время которых температура падает до −90 °C.

Электрическая «начинка» вертолёта такого холода не выдержит — она потрескается и выйдет из строя. Поэтому батарея Ingenuity с помощью плёночных нагревателей должна не дать температуре внутри корпуса упасть ниже −15 °C.

6 апреля стало ясно, что свою первую ночь на поверхности Марса Ingenuity успешно пережил. Но до первого полёта пройдёт ещё как минимум пять таких ночей.

Этот пункт и сподвиг NASA затеять миссию с вертолётом. Дело в том, что у поверхности Марса плотность атмосферы примерно равна плотности земной атмосферы на высоте 30 километров. А ведь именно от этого показателя зависит величина подъёмной силы, которую могут создать винты вертолёта.

Чтобы в таких условиях оторваться от поверхности, марсианскому вертолёту придётся «молотить винтами» в пять раз интенсивнее, чем это делают его земные собратья. Ротор Ingenuity будет вращаться со скоростью до 2537 об/мин против 500 об/мин у обычных вертолётов.

Вертеть с такой скоростью лопастями диаметром 1,2 метра — дело нетривиальное. Требуется крайне точная балансировка и подгонка деталей. На испытаниях в земных лабораториях первые прототипы то и дело выходили из-под контроля.

Чтобы решить эту проблему, инженерам пришлось изготовить более лёгкие и одновременно более жёсткие винты, а также пойти ещё на ряд ухищрений. Их усилия увенчались успехом — прототипы стали нормально взлетать.

Но как поведёт себя вертолёт в реальности, точно сказать не может никто. Да, инженеры NASA имитировали в испытательных камерах марсианские условия: откачивали большую часть воздуха, меняли его газовый состав. Вот только есть фактор, который так просто не смоделировать — гравитация.

Из-за меньшей силы тяжести Ingenuity на Марсе весит всего 680 граммов вместо земных 1,8 килограмма. С одной стороны, это поможет взлёту, а с другой — вполне может оказать непредвиденный эффект и нарушить всю программу полёта. Изменить которую уже не получится.

Отдавая дань значимости миссии, инженеры NASA закрепили под солнечной панелью вертолёта кусочек ткани с крыла Flyer I — планера братьев Райт, на котором они в 1903 году совершили первый в истории полёт на самолёте. Если братья открыли авиационную эру на Земле, то Ingenuity должен открыть её на Марсе.

#космос #марс #nasa #технологии