Инженеры отправятся за пределы Земли, чтобы повысить производительность будущих вертолетов на Марсе.
Впервые в истории две планеты стали домом для испытаний будущих конструкций самолетов. В этом мире в Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) в Южной Калифорнии недавно был испытан новый несущий винт, который можно было бы использовать в вертолетах на Марсе следующего поколения, вращающийся с почти сверхзвуковой скоростью (0,95 Маха). Тем временем вертолет Ingenuity Mars Helicopter агентства достиг новых рекордов высоты и скорости полета на Красной планете во имя экспериментальных летных испытаний. Изобретательность: соединяем Землю и Марс
“Наши испытания вертолетов Mars следующего поколения в буквальном смысле показали лучшее из обоих миров”, - сказал Тедди Тзанетос, руководитель проекта Ingenuity и менеджер Mars Sample Recovery Helicopters. “Здесь, на Земле, у вас есть все приборы и практическая оперативность, на которые вы могли надеяться при тестировании новых компонентов самолета. На Марсе у вас есть реальные внеземные условия, которые вы никогда не смогли бы по-настоящему воссоздать здесь, на Земле ”. Это включает в себя тончайшую атмосферу и значительно меньшую гравитацию, чем на Земле.
Передовая технология несущих винтов для исследования Марса
Лопасти несущего винта следующего поколения из углеродного волокна, которые тестируются на Земле, почти на 4 дюйма (более 10 сантиметров) длиннее, чем у Ingenuity, обладают большей прочностью и другим дизайном. НАСА считает, что эти лопасти могли бы стать более мощными вертолетами на Марсе. Проблема в том, что по мере приближения к сверхзвуковым скоростям кончики лопастей могут быстро выйти из-под контроля, вызывая вибрацию и турбулентность.
Имитация марсианских условий на Земле
Для того чтобы найти объем, достаточно большой, чтобы создать атмосферу Марса на Земле, инженеры посмотрел в JPL по 25-метровые, 85 футов в высоту (8-метровые-от-26-метр) космический симулятор – это место, где геодезиста, "Вояджер"и "Кассини" получил свой первый вкус космической среды. В течение трех недель в сентябре команда наблюдала за датчиками, счетчиками и камерами, поскольку лопасти выполняли обкатку за обкаткой на все более высоких скоростях и больших углах наклона. “Мы раскручивали наши лопасти до 3500 оборотов в минуту, что на 750 оборотов в минуту быстрее, чем лопасти Ingenuity”, - сказал Тайлер Дель Сесто, заместитель руководителя испытаний вертолета для извлечения образцов в JPL. “Эти более эффективные лопасти теперь больше, чем гипотетическое упражнение. Они готовы к полету”.
Примерно в то же время и примерно в 100 миллионах миль (161 миллион километров) от нас команде Ingenuity было предложено попробовать то, что команда Mars Helicopter никогда не предполагала, что им удастся сделать.
Беспрецедентные достижения Ingenuity
Первоначально планировалось, что "Изобретательность" совершит полет не более пяти раз. Поскольку свой первый полет вертолет совершил более двух с половиной лет назад, он превысил запланированную 30-дневную миссию в 32 раза и совершил 66 полетов. Каждый раз, когда "Изобретательность" поднимается в воздух, она охватывает новые горизонты, предлагая перспективу, которой не могла достичь ни одна предыдущая планетарная миссия. Но в последнее время команда Ingenuity выводит свой винтокрылый аппарат на солнечной энергии в полет, как никогда раньше. “За последние девять месяцев мы удвоили нашу максимальную скорость полета и высоту, увеличили скорость вертикального и горизонтального ускорения и даже научились приземляться медленнее”, - сказал Трэвис Браун, главный инженер Ingenuity в JPL. “Расширение оболочки предоставляет бесценные данные, которые могут быть использованы разработчиками миссий для будущих вертолетов Mars”.
Преодоление трудностей марсианского полета
Ограниченные доступной энергией и температурой двигателя, полеты Ingenuity обычно длятся около двух-трех минут. Хотя вертолет может покрыть больше территории за один полет за счет более быстрого полета, слишком быстрый полет может сбить с толку бортовую навигационную систему. Система использует камеру, которая распознает камни и другие особенности поверхности по мере их перемещения в поле ее зрения. Если эти особенности проносятся слишком быстро, система может сбиться с пути.
Таким образом, для достижения более высокой максимальной скорости у земли команда отправляет команды для полета на больших высотах (инструкции отправляются вертолету перед каждым полетом), что позволяет дольше сохранять в поле зрения детали. Рейс 61 установил новый рекорд высоты в 78,7 фута (24 метра), когда проверял характер марсианского ветра. С помощью рейса 62 Ingenuity установил рекорд скорости в 22,3 мили в час (10 метров в секунду) – и разведал местоположение научной команды марсохода Perseverance.
Команда также экспериментировала со скоростью посадки Ingenuity. Вертолет был спроектирован так, чтобы касаться поверхности на относительно высокой скорости 2,2 мили в час (1 мпа), поэтому его бортовые датчики могли легко подтвердить приземление и выключить винты, прежде чем он смог бы подняться обратно в воздух. Вертолет, который приземляется медленнее, можно было бы сконструировать с более легким шасси. Итак, на рейсах 57, 58 и 59 они раскрутили его, продемонстрировав, что Изобретательность позволяет совершать посадку на скоростях на 25% медленнее, чем первоначально предполагалось для посадки вертолета.
Планы на будущее в области изобретательности
Все эти марсианские штучки Чака Йегера еще не закончились. Ожидается, что в декабре, после соединения с солнцем, Ingenuity совершит два высокоскоростных полета, в ходе которых выполнит специальный набор углов тангажа и крена, предназначенных для измерения его характеристик.
“Полученные данные будут чрезвычайно полезны для точной настройки наших аэромеханических моделей поведения винтокрылых аппаратов на Марсе”, - сказал Браун. “На Земле такие испытания обычно проводятся в первых нескольких полетах. Но мы летим не туда. Вам нужно быть немного осторожнее, когда вы работаете так далеко от ближайшей ремонтной мастерской, потому что вы не получаете никаких замен ”.
Подробнее об изобретательности
Изобретательность начала свою жизнь на Марсе как демонстрация технологии. Она впервые взлетела 19 апреля 2021 года, зависнув на 10 футов (3 метра) в течение 30 секунд. Еще четыре полета за столько же недель добавили 499 секунд, и вертолет пролетел горизонтально над поверхностью на высоте 1171 фут (357 метров). После того, как было доказано, что полет на Марс возможен, Ingenuity в мае 2021 года вступила в фазу демонстрации эксплуатации, чтобы показать, как воздушная разведка может принести пользу будущему исследованию Марса и других миров.
Вертолет Ingenuity Mars был построен компанией JPL, которая также управляет проектом для штаб-квартиры НАСА. Его поддерживает Директорат научных миссий НАСА. Исследовательский центр Эймса НАСА в Силиконовой долине Калифорнии и исследовательский центр Лэнгли НАСА в Хэмптоне, штат Вирджиния, предоставили значительный анализ летных характеристик и техническую помощь при разработке Ingenuity. AeroVironment Inc., Qualcomm и SolAero также оказали помощь в проектировании и предоставили основные компоненты транспортных средств. Lockheed Space разработала и изготовила систему доставки вертолетов Mars.