Авиация, которая никогда не будет летать на Земле

Если бы вы могли управлять дроном в небе над Марсом, вы могли бы покрыть гораздо большую территорию гораздо быстрее, чем с марсоходом. Но разработать его – огромная проблема, пишет независимый авиационный журналист Марк Писинг, автор книги «Падение N-4: охота за арктическим дирижаблем Италия».

19 апреля 2021 года крошечный экспериментальный вертолет Ingenuity взлетел с поверхности Марса и попал в учебники истории. Роторы автономной машины яростно вращались в разреженной атмосфере, чтобы создать подъемную силу, достаточную для того, чтобы поднять корабль на высоту одноэтажного дома. Ingenuity завис в воздухе, а затем благополучно приземлился, совершив первый управляемый полет человечества на другой планете. Место, где он приземлился, было названо Полем братьев Райт в честь пионеров авиации.

В середине 2030-х винтокрыл размером с небольшой автомобиль под названием Dragonfly должен сделать следующий шаг. Он приземлится на крупнейший спутник Сатурна, Титан, чтобы начать первую миссию человечества по его исследованию. За один час Dragonfly пролетит дальше, чем любой наземный вездеход, который когда-либо путешествовал по другой планете. Многороторный беспилотный аппарат будет летать по поверхности Титана, приземляясь на один Титан-день (16 земных дней) для проведения экспериментов, прежде чем полететь к следующему пункту назначения.

Но самая большая проблема (и, возможно, самая большая возможность) для внеземной авиации — это адски горячая планета Венера с ее экстремальной жарой, давлением и кислой атмосферой. Ни один посадочный модуль не продержался более 127 минут на её растресканной сланцевой поверхности.

Вместо этого ученые предлагают отправить к Венере два самолета. Один из них представляет собой планер на солнечной энергии, который может бесконечно летать в более мягких верхних слоях атмосферы планеты, а другой — летающее крыло, которое будет летать в неблагоприятных условиях близко к поверхности.

«Разработать технологию, позволяющую приземлиться на Венеру, сложно, — говорит доктор Эльдар Ноэ Добреа, старший научный сотрудник Института планетарных наук в Калифорнии, который разрабатывает концепции миссии для Венеры. — Единственная альтернатива — пролететь сквозь атмосферу».

Тедди Цанетос, технолог-робототехник из Aerial Mobility Group и руководитель группы Ingenuity Mars Helicopter, уже работает над проектами марсианских вертолетов следующего поколения. «Мы знаем, что первый полет братьев Райт сделал для человечества здесь, на Земле, и я думаю, что мы будем следовать той же модели на других планетах», — говорит он.

«Я не думал о таком аналоговом сравнении, но Dragonfly — это следующий шаг после первого полета Ingenuity, — говорит Элизабет «Зиби» Тертл, главный исследователь Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса. — Это будет первый [летательный аппарат], который будет перевозить всю научную полезную нагрузку с места на место».

Маленький вертолет типа Ingenuity (справа) предлагает другой способ картографирования инопланетных миров, чем подход вездеходов вроде Curiosity (Devromb/Getty Images)

Как и первые пионеры полярной авиации, инженеры NASA поняли, как летательные аппараты могут произвести революцию в исследовании новых миров. Культовые аппараты, такие как марсианские посадочные модули «Викинг» и «Кьюриосити», а также орбитальные аппараты, такие как «Кассини» Титана, будут продолжать играть ключевую роль в исследованиях там, где есть подходящая атмосфера, но могут быть и другие варианты. Роботизированные и управляемые дирижабли, вертолеты, дроны и даже надувные пропеллерные самолеты (все предложения ученых НАСА) могли бы быстро собирать высококачественные данные о больших участках поверхности планеты, избегать пересеченной местности, собирать снимки с близкого расстояния, которые невозможно получить с ровера или орбиты, и увидеть цели миссии с разных точек зрения. Подобные летательные аппараты также могут добраться туда, куда не доберутся марсоходы — в горы, на пики и даже на негостеприимную поверхность Венеры.

Проблема для инженеров НАСА заключается в том, что окружающая среда на каждой планете накладывает разные ограничения на тип самолета, его полезную нагрузку и возможности. Технология, доступная инженерам, накладывает аналогичные ограничения.

Разработчик ракеты Saturn V Вернер фон Браун предвидел посадку на Марс на гиперзвуковом планере. Писатель-фантаст Филип К. Дик вообразил колонистов на Марсе на вертолетах. Инженеры НАСА начали рассматривать концепции марсианского самолета после спускаемых аппаратов «Викинг» в 1970-х годах, черты которых в итоге нашли отражение в сегодняшнем беспилотнике Predator, используемом вооруженными силами США.

На Марсе толщина атмосферы менее чем на 1% меньше, чем на Земле, из-за чего самолету очень трудно создавать подъемную силу.

Это, в свою очередь, означает, что марсианский вертолет должен быть очень легким, но при этом иметь возможность поднимать свои литий-ионные батареи, датчики и камеры, а также обогрев и изоляцию, чтобы поддерживать его работоспособность в холодные марсианские ночи. «Если вы сможете решить все эти проблемы и построить самолет, который весит менее 1,8 кг, тогда у вас есть «Изобретательность» — Ingenuity. Наш главный инженер и члены команды впервые начали рассматривать идею марсианского вертолета в 1990-х годах, но технологии просто не было», — говорит Цанетос.

Прочный винтокрыл, такой как Dragonfly, может быть оснащен небольшим ядерным реактором (NASA/Johns Hopkins APL)

Команда также смотрела на самолеты с неподвижным крылом, но на Марсе вертолет имел больше смысла, потому что он работал бы без аэродрома.

У НАСА есть девять различных уровней технологической готовности (TRL), которые варьируются от TRL1, когда «основные принципы соблюдены и сообщаются», до TRL9: «подтверждено полетами» в ходе операций миссии.

В 1990-х годах тип батарей, необходимых для питания Ingenuity, был разработан совсем недавно, и лишь немногие осознавали потенциал таких материалов, как углеродное волокно. Точно так же датчики, легкие вычислительные мощности и алгоритмы управления машиной не были достаточно зрелыми. Как и человеческие навыки их постройки и управления ими.

Другое дело сегодня, когда с тех пор прошло более 20 лет. Сегодня на Земле дроны доставляют посылки и вакцины и используются для обследования посевов и археологических памятников. «На самом деле это было слияние всех этих технологий в нужное время, чтобы обеспечить Ingenuity», — говорит Цанетос.

Ingenuity завершила испытательные полеты и летает до сих пор. «Главной целью было доказать, что мы можем летать на Марсе, и мы совершили более 30 полетов, — говорит Цанетос. — Самое большое влияние, которое мы можем оказать на будущее, — это продолжать летать на Ingenuity. Каждый успешно завершенный нами полет представляет собой сокровищницу инженерных данных, которые будут иметь решающее значение для использования будущими поколениями».

Простые, надежные марсоходы, похожие на танки, могут понадобиться для исследования некоторых из самых негостеприимных планет в нашей Солнечной системе (NASA/Johns Hopkins APL)

Цанетос говорит, что команда также работает над проектами вертолетов, которые могут нести гораздо более тяжелые грузы на гораздо большие расстояния: «Мы хотим получить ответы, когда НАСА задаст вопросы».

Титан является противоположностью Марса. Луна Сатурна размером с планету имеет покрытую льдом поверхностную корку, под которой находится океан, покрывающий всю планету. Ужасно холодно и идут метановые дожди. Было высказано предположение, что лодки могут исследовать поверхность Луны, подводные лодки — подповерхностное море, а дирижабли — атмосферу.

«Окружающая среда Титана действительно уникально подходит для исследования с помощью летательных аппаратов тяжелее воздуха», — говорит Мелисса Г. Трейнер, заместитель главного исследователя миссии «Стрекоза». У него низкая гравитация и плотная атмосфера, а это означает, что самолеты и вертолеты могут быть больше по размеру, нести более тяжелую полезную нагрузку и иметь больше возможностей, чем на такой планете, как Марс.

«Стрекоза» Dragonfly — это слияние всех великих разработок, которые произошли здесь — Мелисса Джи Треqнер.

Окружающая среда Титана означает, что вертолет, такой как Dragonfly, может нести мощную ядерную батарею НАСА, которая необходима для научных целей миссии, а также сами эксперименты, вычислительное оборудование и прочные посадочные лыжи, необходимые для преодоления неровной поверхности.

Существующие карты недостаточно детализированы, но винтокрылый аппарат будет пролетать над потенциальной площадкой посадки и лететь дальше, если приземляться небезопасно. «Dragonfly создаст свои собственные карты Титана во время полета, — говорит Трейнер. — Этот подход чехарды является наименее рискованным вариантом».

Марс, однако, имеет преимущество перед Титаном в одном аспекте. «Весь набор орбитальных аппаратов вокруг Марса, которые были там в течение десятилетий, могут проводить разведку для Ingenuity и функционировать как ретранслятор, — говорит Тёртл. – Dragonfly должна осуществлять прямую связь с Землей и вести местную разведку».

Менее суток требуется, чтобы данные с Марса достигли Земли, были проанализированы и отправлены обратно заказы на Ingenuity. На Титане это займет гораздо больше времени.

Следующая после этого воздушная экспедиция может быть направлена ​​на родственную Землю планету Венеру. Атмосфера планеты в 90 раз плотнее земной. Его температура составляет около 475 градусов по Цельсию (900 градусов по Фаренгейту), а давление составляет 93 бара (1350 фунтов на квадратный дюйм), что эквивалентно миле под земным океаном.

«Атмосфера Венеры ужасна, но в то же время прекрасна, — говорит Добреа. — Существует огромный толстый слой облаков толщиной 20 км, который начинается на высоте 50 км (30 миль) над поверхностью и поднимается до 70 км — это плотнее, чем атмосфера Земли, и через него легче летать. Должна быть возможность летать на самолете на солнечной энергии на этой высоте практически бесконечно долго, и это возможно сделать с помощью существующих технологий».

Его второй концептуальный самолет будет летать близко к поверхности. Он добавляет, что это «огромная проблема» из-за сильной жары, отсутствия солнечного света для солнечной энергии и давления.

В этом самолете используется двигатель, подобный двигателю Стирлинга, для преобразования сильного тепла вблизи поверхности в энергию для питания самолета на более прохладных и больших высотах. Это будет один из немногих самолетов, когда-либо оснащенных таким двигателем.

Но может быть и другой вариант – воздушные шары!

Первый полет человечества в чужой мир совершил именно воздушный шар. В июне 1985 года советско-европейская миссия «Вега» сбросила в атмосферу Венеры два огромных сферических аэростата. Их инструменты висели в гондоле внизу.

«Мы знали, что два воздушных шара были выпущены, но мы не знали, живы ли они еще, — говорит Роберт Престон, руководитель американского проекта по отслеживанию воздушных шаров. — Все, что мы видели на экране осциллографа, — это шум, и ничего, кроме шума. Потом был слабый сигнал. Я помню, как вышел из диспетчерской, увидел яркую Венеру в утреннем небе и подумал: «Я там».

Воздушные шары Vega продолжали парить на высоте около 54 км (33 мили), собирая 46-часовые атмосферные данные. «Если говорить об успехе воздушных шаров «Вега», правильным ответом будет то, что они были «чрезвычайно» успешными», — говорит Джей Галлентайн, космический историк и автор книги «Послы с Земли: новаторские исследования с помощью беспилотных космических кораблей».

«Я знаю, что в будущем у нас снова будут самолеты на Марсе, — говорит Цанетос, — и с Ingenuity мы добавляем новый инструмент в набор инструментов. Все, что мы узнали, поможет другим поколениям исследовать не только Марс, но и планеты. в других солнечных системах».

Но это может быть еще более сложной задачей, предупреждает ученый НАСА Джонатан Саудер из JPL Technology Infusion Group: «Если вы начнете смотреть на планеты за пределами нашей Солнечной системы, тогда это начнет сходить с ума. Есть планеты, состоящие изо льда или содержащие металл в атмосфере. без полного разрушения, но есть и другие планеты, более похожие на Землю».

В марсоходе Harv используется простая, но надежная электроника, способная выдерживать давление и температуру окружающей среды, такой как Венера (NASA/Johns Hopkins APL).

Какими бы ни были различные среды, физика будет одинаковой, какую бы солнечную систему ни исследовало человечество. «Уроки, которые мы извлекли из автономной эксплуатации самолетов на других планетах нашей Солнечной системы, являются фундаментальными строительными блоками того, как человечество будет летать в будущем», — говорит Цанетос.

Саудер проектирует посадочный модуль, который сможет выжить на Венере. Механизмы, созданные для того, что он первоначально назвал вездеходом-автоматом для экстремальных условий (Aree), однажды могут быть найдены в спускаемых аппаратах, исследующих Меркурий, и в зондах, плавающих глубоко внутри газовых гигантов, а также в машинах, исследующих недра Земли. «Когда дело доходит до создания посадочного модуля для Венеры, экстремальные условия означают, что многие традиционные компоненты, которые мы устанавливаем на космический корабль, не будут работать», — говорит он.

Давление выталкивает кислоту из атмосферы в компоненты, а это означает, что они должны быть изготовлены из нержавеющей стали или титана. Высокие температуры плавят электронику.

Каково решение Саудера? «Давайте сделаем полностью механического робота, автомат, вездеход в стиле стимпанк». Первоначальный проект даже имел ноги, а не колеса, вдохновленные огромными механическими скульптурами с приводом от ветра, или strandbeests, голландского художника Тео Янсена:

Для обнаружения и уклонения от препятствий посадочный модуль использует систему роликов и бамперов, которые, подобно детской игрушке, заставляют посадочный модуль двигаться задним ходом при столкновении с препятствием и снова двигаться вперед в немного другом направлении. «Возможно, он не самый эффективный, но надежный и надежный, и будет работать в такой среде».

Однако избавиться от всей электроники оказалось слишком сложно. Вместо этого для измерения температуры и химического состава и передачи данных на орбитальный аппарат используется базовая электроника, которая может работать при высоких температурах. Следовательно, марсоход пришлось переименовать в Hybrid Automaton Rover-Venus (Har-V или Har-vee).

Затем есть вопрос энергообеспечения. Солнечная энергия не подходит, потому что на Венере густые облака и 60-дневная ночь. Вместо этого инженеры НАСА обратились к ветру, чтобы напрямую управлять механическими системами марсохода. Камера и химические датчики еще сложнее, и их еще предстоит разработать.

Вероятность того, что колеса Har-V приземлятся на Венеру, может быть невелика, но есть все шансы, что его конструкция повлияет на марсоход, который это сделает. «Я уверен, что однажды у нас будут марсоходы на поверхности Венеры, и что уроки, извлеченные из архитектуры HAR-V, повлияют на эти проекты», — говорит Джонатан Саудер.

Источник

Читайте также статью «Киевские политехники – пионеры авиации»


Больше на Granite of science

Подпишитесь, чтобы получать последние записи по электронной почте.

Добавить комментарий

Больше на Granite of science

Оформите подписку, чтобы продолжить чтение и получить доступ к полному архиву.

Читать дальше