Марсианское чудо: испытания и разработка марсианского вертолета Ingenuity

Слова Пола Уиллиса

В апреле этого года вертолет НАСА Ingenuity, отправленный на Марс в рамках миссии «Марс 2020», совершил свой 50-й полет на Красную планету. Этот полет завершил знаменательные два года для небольшого корабля, который впервые совершил полет на Марс в апреле 2021 года, совершив 39-секундное путешествие, которое ознаменовало первый полет винтокрылого аппарата с двигателем и управляемым двигателем на другой планете.

С тех пор Ingenuity намного превзошла ожидания своих разработчиков, которые задумывали его как демонстрацию технологий, рассчитанную всего на пять полетов по поверхности Марса. Ключевым среди этих инженеров является Боб Баларам, создатель концепции Ingenuity и главный инженер во время ее разработки, испытаний и марсианских операций.

Баларам по понятным причинам гордится достижениями миссии Ingenuity. «Очень здорово посмотреть в ночное небо и увидеть маленькую красную точку Марса и подумать, что где-то там находится наш маленький вертолет, который собрала наша команда», — говорит он.

Трудно переоценить, какой выдающийся инженерный подвиг превратил идею Баларама в реальность, и в анналах освоения космоса изобретательность вполне могла стать переломным моментом. По словам Баларама, Ingenuity «открыла дверь» для будущих беспилотных полетов на другие планеты.

В случае с Марсом НАСА планирует отправить на планету еще два вертолета в рамках миссии по возврату проб, предварительно запланированной на 2026 год. Еще одна миссия НАСА, запуск которой запланирован на следующий год, в 2027 году, — это Dragonfly, 450-килограммовый (990 фунтов) корабль. винтокрылый аппарат, который будет использоваться для исследования Титана, спутника Сатурна, на предмет признаков жизни.

Разработчики Dragonfly намного крупнее, чем Ingenuity, который весит всего 1,8 кг. У разработчиков большие амбиции. Вертолет будет представлять собой мобильную научную лабораторию, приземляющуюся в разных местах Титана для изучения пребиотической химии, присутствующей на поверхности этой далекой луны.

Ральф Лоренц — архитектор миссии Dragonfly, а также планетолог и инженер Лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса (APL), которая возглавляет разработку Dragonfly для НАСА. Он говорит, что основные различия между целями миссий Ingenuity и Dragonfly и средами, в которых они будут работать, означают, что «в аппаратном обеспечении практически нет наследия». Тем не менее, он и его команда извлекают уроки из деятельности Ingenuity. Несколько членов команды Ingenuity выполняли консультативные функции в Dragonfly.

Идея полета на Марсе на вертолете пришла Балараму еще в 1990-х годах, хотя он признает, что был не единственным. «Американское вертолетное общество даже провело конкурс, на котором студенты университетов могли спроектировать вертолет для Марса», — говорит Баларам. «Это было примерно в то время, когда миссия НАСА «Патфайндер» приземлилась на Марсе с помощью маленького марсохода «Соджорнер» [1997]. Так что в то время было много волнений по поводу Марса».

Несмотря на это, концепция лежала на полке в течение следующих 15 лет, пока интерес к зарождавшейся тогда технологии дронов не привел к тому, что Баларама попросили подготовить краткое описание осуществимости этой технологии для миссии на Марс. «Они дали нам немного стартового капитала, и мы спроектировали и построили Ingenuity», — говорит Баларам.

Момент, когда Ingenuity разблокировал лопасти несущего винта 7 апреля 2019 года, что стало ключевой вехой перед его первым полетом (Фото: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калтех)

Балараму и его команде пришлось преодолеть ряд сложных проблем, самой значительной из которых была чрезвычайно разреженная атмосфера на Марсе. Плотность воздуха на Марсе составляет около 1% от плотности воздуха на уровне моря на Земле.

Это значительно усложняет создание подъемной силы для взлета. Хотя более низкое марсианское гравитационное притяжение, составляющее около трети земного, в некоторой степени помогает, «вы все еще боретесь с очень низкой плотностью», говорит Баларам.

Следовательно, для того, чтобы Ingenuity смог подняться в воздух, приоритетом было сделать его как можно более легким. Однако этот критерий проектирования противоречил другому – сделать корабль достаточно прочным, чтобы выжить в чрезвычайно враждебных условиях Марса.