Зефи́р (др.-греч Ζέφυρος, «западный") — тёплый и влажный западный ветер , дующий с побережья Атлантичнского океана. Имеет довольно высокую скорость, порой достигающую силы бури. Но сегодня не о нем. Сегодня поговорим о концепте планетохода (ровера) для исследования Венеры. И такой концептуальный проект был разработан.
Поверхность Венеры имеет самую враждебную среду среди всех планет Солнечной системы. Средняя температура 450 °C, горячее, чем в духовке, а агрессивную атмосферу при давлении 90 бар трудно выдержать. Несмотря на то, что люди отправляли на Марс марсоходы со сроком службы 8 лет, поверхность Венеры в настоящее время исследована только недолговечными советскими и американскими зондами, ни один из которых не был мобильным, а самый долгоживущий из них проработал на поверхности всего 2 часа, прежде чем погиб в суровых условиях Венеры. Миссии на Марс показали, что мобильность на поверхности имеет большое значение для научных исследований, и для будущей миссии на Венеру желательно иметь возможность посадить миссию с более длительным сроком жизни и способную к мобильности. Миссия на поверхность Венеры расширила бы наши знания о поверхностях планет земной группы.
Ветер на Венере
Венера — планета с исключительными высотными ветрами, но скорость ветра уменьшается с высотой. Тем не менее, скорости ветра у поверхности не нулевые, а высокая плотность атмосферы означает, что, несмотря на низкие скорости, создается значительное количество силы. Первые измерения ветра на поверхности Венеры были выполнены советскими спускаемыми аппаратами «Венера-9» и «Венера-10» показавшими приземные скорости ветра в диапазоне от 0,4 до 1,3 м/с. На более поздних спускаемых аппаратах «Венера» анемометры не запускались, но скорость ветра определялась по акустическим измерениям, выполненным микрофоном. Четыре спускаемых аппарата, измерявших скорость приземного ветра, показали среднюю скорость ветра от 0,4 до 0,7 м/с («Венера-9»), от 0,8 до 1,3 м/с («Венера-10»), от 0,3 до 0,6 м/с («Венера-13») и от 0,3 до 0,6 м/с («Венера-14»).
Ветры на поверхности Венеры слабые (менее 1 м/с), при давлении на Венере даже малые скорости ветра развивают значительную силу. Таким образом, была предложена новая концепцию планетохода: ровер с парусным двигателем для исследования поверхности Венеры. Такой ровер может открыть новый рубеж: превратить поверхность новой планеты в место, которое может быть исследовано с помощью робота. Основная идея сухопутного парусника не нова: сухопутные парусные средства на Земле, восходят к «ветряным тележкам» 19-го века, для путешествий по американским равнинам.
Современные сухопутные парусные суда гораздо более совершенны. При хорошей конструкции они могут двигаться со скоростью, в десять раз превышающей скорость ветра.
И все же основная концепция чрезвычайно проста; использование силы ветра с помощью паруса.
На рисунке показан перспективный вид аппарата Zephyr, развернутого на поверхности. Парус обеспечивает движущую силу, а также служит подложкой для установки солнечной батареи. Обратите внимание на относительно большой размер паруса, чтобы набрать достаточную силу, чтобы привести в движение ровер, а также нести солнечные батареи. Колеса также большие, чтобы уменьшить усилие при подъеме по камням.
Общая масса ровера составляет 281 кг. Управление осуществляется орбитальным аппаратом через канал связи, который также управляет всеми остальными системами. Zephyr несет четыре научных прибора: датчик PanCam, метеостанцию (анемометр, барометр и датчики температуры), рентгеновский дифракционный датчик и буровую установку.
Для спуска и торможения в атмосфере Венеры была выбрана аэродинамическая оболочка, основанная на проекте миссии Genesis, которая была увеличена до максимального внешнего диаметра 3,6 м с максимальным внутренним диаметром 3,39 м. Это было сделано для того, чтобы создать необходимый объем для требуемой площади паруса и диаметра шины, которые можно было бы уложить в аэродинамическую оболочку.
Камера аппарта
Камеры визуализации используются в качестве инструмента планирования, используются для планирования маршрутов, камеры также являются инструментом для изучения геологии и геоморфологии. Изображения оказались мощным научным инструментом в миссии MER (марсианские марсоходы). Цель состоит в том, чтобы создать камеру, которая будет работать без охлаждения при температуре Венеры 450 °C, а также в условиях и спектре освещенности Венеры. Было бы желательно настроить камеру на максимальную рабочую температуру 500 °C, дать ей некоторый запас прочности. Оптическая схема такой камеры (линзы, зеркала, сканирующая платформа и т.д.) – это прежде всего известная технология. Основная концепция заключается в использовании камеры с механическим сканированием, чтобы избежать сложной электроники, которая еще не рассчитана на высокие температуры. Конструкция состоит в том, чтобы использовать линейную матрицу фотодиодов в качестве светочувствительного элемента, а для создания изображения использовать сканирующее зеркало для развертки изображения по датчику. Она похожа на камеру «Венера9», которая была выполнена по схеме с механическим сканированием на фотодиоде.
Материалом-кандидатом для фотодиодов является фосфид галлия-индия (GaInP2): этот материал хорошо изучен из-за его использования в солнечных батареях, он имеет достаточно широкую запрещенную зону, чтобы работать при температуре Венеры, и реагирует на свет в диапазоне от 360 до 660 нм.
Изучение геологии
Приборы планетохода будут исследовать состав и минералогию горных пород. Эти приборы нуждаются в устройстве для развертывания («роботизированной руке») для размещения инструментов на поверхности для определения состава и минералогии. А также бур для отбора проб. Ранее на Венеру уже летали буровые установки в рамках советских миссий «Венера» и «Вега». Компания Honeybee Robotics разработала и испытала бур и инструмент для истирания горных пород (RAT), предназначенные для работы на Венере . Конструкция манипулятора для размещения приборов («роботизированная рука») основана на роботизированной руке Mars Phoenix, но упрощена до двухшарнирной схемы, чтобы свести к минимуму сложность.
Мобильность планетохода
Для того, чтобы выжить в течение длительного периода времени на поверхности, предполагается, что парус, колеса, карданные моторы, приводы и конструкция паруса изготовлены из материалов, совместимых с агрессивной средой Венеры. Предполагается, что парус имеет жесткую конструкцию, чтобы избежать проблем с развертыванием и управлением гибкой высокотемпературной системой на основе ткани. Для целей движения предполагается скорость приземного ветра не менее 0,4 м/с и до 1,3 м/с .Судя по изображениям, полученным зондами «Венера» на месте посадки, наибольшие ожидаемые неровности поверхности составляют ~10,0 см в высоту.
Конструкция системы мобильности Zephyr состоит из жесткого управляемого паруса для движения и трех колес, которые могут обеспечивать как торможение, так и рулевое управление на поверхности. Колеса имеют диаметр 1,0 м и ширину 22,9 см. Для мобильности на поверхности Венеры были оценены различные конструкции колес, и колеса, основанные на конструкции колес LRV (Лунного ровера миссий Аполлон), были выбраны на основе их высоты, низкого трения качения, массы, характеристик препятствий и потенциальной совместимости с окружающей средой (при условии подходящей замены материала).
Один жесткий парус, используемый для движения на поверхности, складывается в три секции для хранения в аэродинамической оболочке и разворачивается непосредственно перед посадкой. Крыло установлено перпендикулярно основанию и может вращаться с помощью стабилизатора вокруг своего среднего аэродинамического центра, создавая вектор подъемной силы (тяги), в зависимости от ориентации местного ветра. Крыло также может быть «обнулено» - установлено параллельно направления ветра, чтобы остановить планетоход, или избежать опрокидывания. Исходя из требуемых сил и уравнения подъемной силы, требуется общая площадь крыла 12 м2. Результирующая высота крыла составляет 5,44 м. Диаметр аэродинамической оболочки определяет длину корневой хорды крыла равной 3,10 м.
Расчеты показали что площадь паруса 12 м2 позволяет двигаться планетоходу по ровной местности со скоростью ветра 0,32 м/с .Тогда как чтобы преодолеть уклон местности в 15° такая конструкция аппарата требует постоянной скорости ветра примерно в 1,2 м/с. Продолжительность миссии составляет 30 (земных) суток, или четверть солнечного дня Венеры (116,75 земных суток) с началом за 15 дней до местного солнечного полудня. Площадь солнечных батарей, используемых на парусе, составляет около 12 м2 (или 6 м2 с каждой стороны) . Ровер спроектирован таким образом, чтобы начать работу с первого дня работы при пиковой солнечной мощности 70%.
Посадка на Венеру
Zephyr будет установлен на орбитальный аппарат с помощью опорной конструкции с направляющими. После отделения Zephyr орбитальный аппарат начнет маневр, чтобы избежать столкновения с Венерой, перейдя на траекторию для выведения на орбиту Венеры. Достигнув ее, орбитальный аппарат будет тормозить на орбите с большим эксцентриситетом вокруг планеты. Эта орбита будет иметь 24-часовой период обращения, что позволит поддерживать связь с Zephyr в течение 12-18 часов во время каждого витка.
Последовательность входа, спуска и посадки показана на схеме ниже. Это похоже на последовательность , используемую на марсоходах, за исключением того, что более плотная атмосфера позволяет приземлиться на парашюте прямо на колеса.
Далее начнется изучение Венеры. Когда спутник окажется над горизонтом (предполагается 16 часов на 24-часовой оборот), время будет распределено так: 1час на поездку и 8 часов научных исследований, оставшиеся 7 часов будут затрачены на анализ и планирование следующей поездки. Когда спутник будет не над горизонтом, 8 часов будут затрачены на зарядку.
Итог
1. Планетоход Zephyr был спроектирован для работы на поверхности Венеры, используя ветер в качестве движущей силы. 2. При весе около 250 кг Zephyr несет 8-метровый аэродинамический парус (площадь 12 м2), 25 кг научного оборудования (минералогия, буровая машина и метеорологические приборы) и может доставить 2 Гб научных данных за миссию рассчитанную на 30 дней. 3.Управление будет осуществляться с орбитального аппарата, который, в свою очередь, управляется с Земли. 4. При минимальной скорости ветра, необходимой для передвижения 35 см/с, аппарат движется медленно, но уверенно 4 см/с за счет позиционирования аэродинамического профиля и использования одного управляемого колеса для управления наведением.
Ну а на этом все. Спасибо за внимание. Пишите ваши комментарии. Жизнеспособен ли данный концепт, и смог бы Зефир работать на поверхности Венеры таким, как его задумали авторы?