Сергеич (sergeich_vl) wrote,
Сергеич
sergeich_vl

Category:

Mars Helicopter: ты помнишь, как всё начиналось?



За последнее время в моей ленте мне несколько раз попадались сообщения о проекте «Марсианский вертолёт». В этой связи я вспомнил, что в прошлом году я читал довольно интересную статью об этом проекте в журнале «Air & Space». Ниже приведён мой вольный перевод этой статьи. Учитывая, что прошёл год, некоторые события, которые тогда только планировались, сейчас уже свершились, так что здесь я пишу о них как о свершившихся. В остальном я старался никакой отсебятины не допускать.

A Helicopter Dreams of Mars
by Preston Lerner

К этому видео просто напрашивается какой-нибудь кричащий заголовок, каких полно сейчас на YouTube, - что-то вроде «Самый худший оператор дрона на свете!» Маленький, тоненький коптер мечется по камере, как обезумевшее крылатое насекомое, пока, наконец, неизбежно не врезается в стену. «Феноменальное крушение!- говорит МиМи Онг, заразительно смеясь. - Это правда забавное видео».

Не только забавное, но ещё и довольно поучительное: ведь это наглядное доказательство того, что вертолёт в принципе может совершать полёт в атмосфере Марса - в сто раз более разрежённой, чем атмосфера на Земле. Это видео в итоге и помогло убедить NASA дать зелёный свет разработке первого в истории аппарата, способного подняться с поверхности другой планеты, используя аэродинамические силы. Восемнадцать месяцев спустя в той же самой 25-футовой камере в Лаборатории Реактивного Движения (JPL) в Пасадене (штат Калифорния) более крупная модель зависала, вращалась и перемещалась из стороны в сторону без единой заминки. Для команды проекта «Марсианский вертолёт» этот момент сравнится только с тем моментом, когда братья Райт на своём самолёте поднялись в воздух близ городка Китти Хок.

В начале 2019 года уже полноразмерная модель была успешно испытана в той же камере. Хотя она весила менее двух килограммов, на ней было установлено всё необходимое для автономного полёта на Марсе. В апреле 2020 года в ходе подготовки к миссии «Марс 2020» готовый аппарат был установлен на днище шестиколёсного вездехода. Если всё пойдёт, как задумано, дрон будет доставлен на поверхность Марса в 2021 году, где на протяжении 30 дней он пять раз попытается совершить исторический полёт. «Это будет переворот, - говорит Онг, занимающая должность менеджера проекта «Марсианский вертолёт». - Сейчас мы исследуем другие миры с орбиты или вездеходами, но у нас нет средств, чтобы воспользоваться преимуществами исследования с высоты птичьего полёта. Теперь мы сможем добраться до мест, куда не доберётся ни вездеход, ни даже астронавт».

Сила притяжения на Красной Планете составляет приблизительно 38% от силы притяжения на Земле, но разреженная атмосфера была тем, что, по мнению людей в теме, не давало никаких шансов на успех. Меньше воздуха, разумеется, означает меньше тяги. Для обычного самолёта это означает невероятно длинное крыло, очень высокую скорость взлёта и исключительно сложную посадку. Вертолёт, однако, виделся как возможная альтернатива, поскольку в отличие от самолёта лопасти вертолётного винта сами создают поток воздуха, генерируя тягу. Как объясняет Онг, «летательный аппарат с вращающимся крылом способен обеспечить требуемую скорость своего крыла, оставаясь при этом неподвижным».

Это всё в теории. С практической точки зрения никто не знал, смогут ли лопасти вращаться достаточно быстро, чтобы удерживать двигатели, авионику и рулевые машины, не говоря уже о видеокамерах, радио и антеннах - в общем, тех компонентах, которые могли бы сделать аппарат на самом деле полезным на Марсе. Чтобы полностью оценить масштаб задачи, нужно учесть, что наибольшая высота, достигнутая когда-либо вертолётом на Земле составляет 40000 футов (12 км), а разрежённая атмосфера у поверхности Марса эквивалентна Земной атмосфере на высоте 100000 футов (30 км).

Ларри Янг, специалист в принадлежащем NASA Исследовательском центре Эймса в Кремниевой Долине и дотошный знаток всего, что касается вертолётов, начал изучать проблему в 1997 году. «Сначала я был настроен скорее скептически, - вспоминает он, - Однако, после более пристального анализа с учётом опыта из аэродинамики микрокоптеров и прочих миниатюрных летательных аппаратов, которыми я также тогда занимался, а также с учётом весовых сводок из проекта беспилотника HALE (high-altitude and long endurance), я пришёл к выводу, что проект марсианского вертолёта весом до 100 килограммов, возможно, и вправду удастся реализовать».

Вскоре сконструированный компанией Micro Craft сверхлёгкий четырёхлопастный винт диаметром 8 футов (2,4 метра) был испытан на способность обеспечить достаточную для зависания тягу в центре Эймса в камере N-242, предназначенную для имитирования различных условий окружающей среды. Успех испытания вдохновил Янга на публикацию статьи, провозглашающей жизнеспособность концепции.

Приблизительно в то же время совершенно независимо инженер JPL Боб Баларам посетил конференцию по робототехнике в Сан-Франциско. Во время презентации предложения по миниатюрным коптерам Баларам осознал, что число Рейнольдса, характеризующее эффективность аэродинамического профиля в зависимости от плотности и вязкости газа, для этих миниатюрных коптеров будет почти такое же, как и для вертолёта с более крупным винтом в более разрежённой атмосфере. «Что-то вроде масштаба», - рассказывает он.

Стэнфордский университет предоставил восьмидюймовый (203 см) винт, который был насажен на ось в принадлежащей JPL 10-футовой вакуумной камере, где было создано пониженное давление, чтобы имитировать марсианскую атмосферу. Когда скорость вращения лопастей достигла 7000 оборотов в минуту, ось отклонилась, что означало, что достигнутая тяга достаточна для полёта на Марсе - при условии, конечно, что аппарат будет достаточно лёгким. Увы, несмотря на это средства на программу тогда так и не выделили.

Идея пролежала на полке до 2012 года, когда Онг проводила для тогдашнего директора JPL Чарльза Элаши ознакомительный тур по отделу автономных систем. В одной из лабораторий демонстрировалась работа навигационных алгоритмов, установленных на борту дронов. Элаши обернулся к своему финансовому директору Ренэ Фрадету и спросил: «Эй, а почему бы нам не сделать это на Марсе?» Баларам сдул пыль с результатов своих давних исследований и кратко доложил о них Элаши. После недели раздумий Элаши сказал Балараму: «Окей, у меня есть для тебя немного денег на дальнейшее изучение вопроса».

С самого начала инженеры столкнулись с двойной проблемой: сконструировать вертолёт, который был бы способен летать на Марсе, и в то же время который был бы способен пережить семиминутный кошмар посадки на Красную Планету, будучи прикреплённым к днищу однотонного вездехода. По габаритным соображениям диаметр винта был ограничен четырьмя футами (1,2 метра).

JPL поручила постройку модели в масштабе 1:3 одной из передовых инженерных фирм из Южной Калифорнии - «AeroVironment», которая создала один из первых дронов для применения в боевых операциях. Модель была установлена на вертикальных направляющих в принадлежащей JPL 25-футовой вакуумной камере - американской национальной достопримечательности, официально известной как Симулятор Космоса, где тестировался каждый построенный в JPL космический аппарат начиная с 1962 года. При скорости вращения лопастей 8000 оборотов в минуту (чтобы компенсировать разницу в размерах) тяга оказалась достаточной, чтобы оторвать дрон от земли. Это побудило JPL инвестировать больше средств, чтобы посмотреть, как поведёт себя модель без поддержки направляющих. Под управлением Мэтта Киннона, главного мастера по пилотированию дронов в «AeroVironment», модель свободно летала по камере. На самом деле чересчур свободно - отсюда и то самое незабываемое крушение в видео «Самый худший пилот дрона на свете».

«Вертолёты очень трудно проектировать, - говорит Хавард Фьор Грип, сам пилот самолёта и по совместительству глава команды ориентации, навигации и управления в проекте «Марсианский вертолёт». - Когда мы, наконец, полетели, мы ожидали, что поведение аппарата не будет в точности таким, как у компьютерной модели, и так оно и оказалось. Однако, модель продемонстрировала главное, показав, что способна обеспечить достаточно тяги, чтобы оторваться от поверхности».

Участники проекта «Марсианский вертолёт» обсуждают последовательность событий в рамках лётных испытаний. Слева - Боб Баларам, справа - Хавард Фьор Грип, в центре Тедди Цанетос, архитектор тестовых процедур


Тест был достаточно убедительным, и на этом основании NASA в январе 2015 согласилось спонсировать разработку полноразмерной версии, которая стала известна как «risk reduction vehicle». Менеджер проекта Онг осознавала, что программе требуется междисциплинарная культура. Она собрала команду учёных, инженеров и техников, стремясь использовать весь доступный опыт NASA. Если считать только тех, кто был занят на постоянной основе, то численность команды не превышала 65 человек. Всего же, по словам Онг, над проектом работали более 150 человек в JPL, «AeroVironment» и исследовательских центрах NASA в Эймсе и Лэнгли.

Боб Баларам и Тедди Цанетос слева и справа от руководителя проекта МиМи Онг


Каждое конструкторской решение при проектировании вертолёта рассматривалось с точки зрения веса. Баларам, заядлый любитель походов с рюкзаком, у которого на стене в офисе главное место занимает эффектный фотопейзаж, снятый где-то в одном из них, посадил аппарат на диету. Каждый дополнительный грамм означает дополнительную энергию, чтобы поднять его, что добавляет ещё больше веса, что требует ещё больше энергии - порочный круг, который мог поставить под угрозу весь проект. «Был момент, когда у нас начал складываться весовой кризис, и было невероятно трудно удержаться в границах, диктуемых физикой», - признаёт Баларам. Чтобы аппарат без препятствий смог уместится на днище марсохода, команда отвергла традиционный дизайн с рулевым винтом в пользу соосной схемы. На верхушке оси, вокруг которой в противоположные стороны вращаются два несущих винта, расположена солнечная панель, заряжающая литий-ионные аккумуляторы. Внизу аппарата расположен небольшой куб высотой около 1,4 фута (42 сантиметра). Внутри этого своеобразного фюзеляжа расположен меньший по размеру прочный контейнер, в котором и сосредоточена большая часть оборудования и программного обеспечения. Четыре тонких и гибких опоры представляют собой простое решение для посадки.

Всего на вертолёте установлено восемь электромоторов. Винты приводятся в движение двумя 23-полюсными бесколлекторными электромоторами постоянного тока собственной конструкции с обмоткой из медной проволоки квадратного сечения, которую Киннон из «AeroVironment» наматывал вручную под микроскопом - неимоверно утомительная процедура, занявшая по сто часов на каждый мотор. Остальные шесть моторов управляют автоматами перекоса, присоединёнными к каждому винту (автомат перекоса циклически изменяет угол наклона каждой лопасти для управления по крену, рысканию и тангажу).



Литий-ионные аккумуляторы были позаимствованы от электронных сигарет. От мобильных телефонов был позаимствован основной процессор, а также камеры: полноцветная 13-мегапиксельная камера для съёмки, а также чёрно-белая камера для сравнительно примитивной навигационной системы. Вспомогательный процессор пришёл из автоиндустрии, лазерный дальномер - из мира робототехники. «Это всё было бы невозможно без готовых, доступных на рынке компонентов», - говорит Грип.

Даже с учётом всего этого почти каждое конструкторское решение создавало новые проблемы. Например, чтобы лопасти могли вращаться так быстро, насколько возможно, они выполнены из лёгкого углеволокна. Однако, их пришлось усиливать, когда оказалось, что разрежённая атмосфера на Марсе, в отличие от земной, не обладает свойством подавлять вибрации и их катастрофические резонансы. На ранних стадиях проекта команда надеялась сэкономить драгоценные граммы, оборудовав верхний винт упрощённым автоматом перекоса, который был бы способен изменять угол атаки только у всех лопастей одновременно, а не циклически, что позволяло бы верхнему винту вносить свой вклад в управление по высоте, но не по крену или тангажу (нижний винт оборудовался полноценным автоматом перекоса изначально). Однако, эти планы пришлось оставить, когда стало очевидно, что вертолёту потребуются более мощные управляющие воздействия. В результате команде пришлось закатать рукава, как выразилась Онг, и поискать резервы уменьшения веса в другом месте.

В мае 2016 Онг и компания набрались достаточной уверенности, чтобы отправить марсианский вертолёт в 25-футовую вакуумную камеру. Чтобы компенсировать излишнее земное притяжение, вес модели пришлось уменьшить до 850 граммов, для чего пришлось снять с неё батареи, компьютер и авионику и соединить всё это с моделью по проводам.



Полностью автономный тестовый полёт прошёл без единой заминки, на что команда смотрела, соблюдая олимпийское спокойствие. «Люди удивлялись, насколько хорошо мы контролировали себя, - вспоминает Онг. - На самом деле мы были очень счастливы. Невозможно описать, что мы чувствовали».



Успех превратил проект из едва заметной точки на радаре NASA в нечто, к чему стоило присмотреться поближе. Следующая часть ассигнований покрыла создание двух полнофункциональных образцов (Engineering Design Models, EDM), по которым впоследствии строился бы непосредственно аппарат, предназначенный для отправки на Марс, - если бы NASA действительно решило его построить. Но едва началась работа, как команда осознала, что допустила ошибку в расчёте своего термобаланса.

Две трети энергии от аккумуляторных батарей должно было направляться на обогрев батарей во время холодных марсианских ночей, и обеспечить это оказалось гораздо труднее, чем ожидалось. Была увеличена площадь солнечной панели, а также добавлены аккумуляторные ячейки, что означало дополнительный вес. К счастью, моторы Киннона в реальности оказались более энергоэффективными, чем по расчётам, что позволило сэкономить немного веса. В итоге аппарат весил чуть менее четырёх фунтов (1,8 кг).

9 января 2018 года EDM-1 был помещён в Симулятор Космоса в JPL. Там было создано не только пониженное давление для симуляции анемичной марсианской атмосферы, но впридачу к этому камера была заполнена углекислым газом, чтобы точнее воспроизвести небогатую кислородом марсианскую окружающую среду. Для симуляции марсианской гравитации аппарат был закреплён в системе тросов, известной как система компенсации гравитации, которая помогала EDM-1 удерживаться над поверхностью. Тест прошёл как по маслу. На этот раз вместо символической золотой звезды от NASA команда получила главный приз: слот технологического демонстратора в миссии «Марс 2020».

Учёные в NASA и JPL уже начали думать о будущем марсианских вертолётов. Онг говорит, что разрежённая атмосфера скорее всего ограничит их вес 10 - 15 килограммами, так что они не смогут нести человека. Однако, они будут оборудованы научными инструментами, вес которых будет куда больше двух фунтов. «Будущие марсианские вертолёты будут способны совершать долговременные миссии в районы, куда нельзя добраться иным способом, и осуществлять сбор образцов или анализ почвы или камней, - говорит Янг. - Такие аппараты могли бы залетать внутрь кратеров, могли бы спускаться с утёсов или проводить низковысотную разведку русел древних рек».

Несмотря на это, в центре миссии «Марс 2020» находится не вертолёт, а несущий его марсоход. Если экспедиция марсохода, как ожидается, продлится около двух земных лет, вертолёту на тесты отведено всего 30 дней. Основная цель - просто доказать жизнеспособность концепции. Надежды велики, но ожидания отнюдь нет. «Мы не флагманская миссия с миллиардным бюджетом, - говорит Баларам. - У нас всего только небольшой технологический демонстратор и высокий риск неудачи».

Ёмкость аккумуляторов ограничивает время полёта 90 секундами, и энергии будет хватать только на один полёт в день. Скорость будет ограничена 10 м/с: не более 2 м/с в спокойной атмосфере плюс ещё не более 8 м/с с учётом ветра. Высота будет ограничена 16.5 футами (5 метров). Способности аппарата к ориентированию на местности крайне ограничены, поэтому он будет садиться на ту же ровную и открытую площадку, откуда он будет стартовать. Самый смелый пункт в списке тестов - отлететь от места старта на 500 футов (150 метров), прежде чем вернуться.

Что делать потом, ещё предстоит решить. Пока не ясно, как много циклов нагревания/охлаждения аппарат сможет выдержать, и нет никаких шансов, что он сможет пережить жестокую марсианскую зиму. Как говорит Онг, «аппарат построен по стандартам для демонстраторов, он не предназначен для того, чтобы служить вечно». В то же время, аппараты, спроектированные JPL для Марса заработали репутацию машин, которые служат намного дольше, чем от них изначально требовалось. Марсоходы «Spirit» и «Opportunity», спроектированные чтобы продержаться три месяца, прослужили в итоге 6 и 14 лет соответственно. Так что, как говорит Баларам, они назвали свой вертолёт Wendy. Почему Wendy? Потому что We’re Not Dead Yet.
Tags: mars helicopter, космос
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Дебет слева, кредит справа

    Выпускник Финансовой академии пошел работать в крупную компанию бухгалтером. У него появилась привычка с утра перед рабочим днем заглядывать в левый…

  • Праздники такого рода часто бывают у селян

    Ещё немного фотографий с праздника на заводе в Торонто, посвящённого поставке юбилейного – шестисотого по счёту – Dash 8-400. Выступает помощник…

  • Воссоздать кадр: «Eye of the Beholder»

    Моя жена одно время ходила на курсы по фотографии. Помимо таких фундаментальных вещей, как выдержка, диафрагма и чувствительность, там учили обращать…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic
    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 22 comments

Recent Posts from This Journal

  • Дебет слева, кредит справа

    Выпускник Финансовой академии пошел работать в крупную компанию бухгалтером. У него появилась привычка с утра перед рабочим днем заглядывать в левый…

  • Праздники такого рода часто бывают у селян

    Ещё немного фотографий с праздника на заводе в Торонто, посвящённого поставке юбилейного – шестисотого по счёту – Dash 8-400. Выступает помощник…

  • Воссоздать кадр: «Eye of the Beholder»

    Моя жена одно время ходила на курсы по фотографии. Помимо таких фундаментальных вещей, как выдержка, диафрагма и чувствительность, там учили обращать…