Успех миссии роверов-близнецов позволил NASA за несколько лет узнать о навигации на красной планете больше, чем за предыдущие три десятилетия. И уже к концу 2000-х у них была готова новая эволюция дизайна марсохода.
Curiosity: когда размер решает всё
В 2012 году на Марс прибыл ровер Curiosity. Это был первый представитель нового поколения машин для исследования марсианской поверхности. И здесь снова критически важно понять масштаб, потому что эта машина намного больше, чем думает большинство людей.
Вот наш Sojourner размером с микроволновку. Вот Spirit и Opportunity размером с гольф-кар. А теперь представьте Curiosity - это размер кроссовера. Машина действительно огромная, весом 900 кг.
Вы заметите ту же шестиколесную силовую установку и гораздо более массивную версию той же подвески rocker-bogey. В этом масштабе действительно хорошо видно, как колеса связаны с основным корпусом ровера через систему рычагов.
Но есть одно критическое отличие. В отличие от предшественников, у Curiosity нет солнечных панелей.
Проблема Spirit и Opportunity была именно в источнике питания. Солнечные панели на Марсе - это азартная игра. Пыль постоянно оседает на них, снижая эффективность. Зимой мало света. И в итоге глобальная пылевая буря может похоронить ровер под непроницаемым слоем, как это случилось с Opportunity.
Для нового поколения NASA выбрало радиоизотопный термоэлектрический генератор (RTG). Это не ядерный реактор. Это скорее "вечная батарейка": тепло, генерируемое радиоактивным распадом изотопа плутония-238, преобразуется в электричество термопарами. Любое избыточное тепло, не превращенное в электричество, используется для обогрева систем во время марсианской ночи, когда температура падает до минус 100°C.
С 5 кг плутония-238 на борту генератор Curiosity имеет минимальный срок службы 14 лет. И ровер работает до сих пор, спустя уже 14 лет с момента посадки.
Perseverance: научная лаборатория с микрофонами
В 2021 году к Curiosity на Марсе присоединился его ровер-близнец - Perseverance. Это часть миссии Mars 2020. Perseverance - в основном та же платформа размером с автомобиль, что и его старший брат, только с обновленной коллекцией научных инструментов и записывающих устройств.
Он несет семь основных научных приборов, 19 камер и два микрофона. Это был первый раз, когда на Марс отправили аудиозаписывающее оборудование.
Именно благодаря этому мы знаем, как звучит ветер на красной планете. Мы также можем слышать звук самого ровера: полые металлические колеса звенят по марсианским камням, тихое жужжание электромоторов и скрип системы подвески.
Но самым неожиданным грузом Perseverance стал особый экспериментальный аппарат. Как и Pathfinder в 1996 году, Mars 2020 привез с собой небольшое экспериментальное устройство.
Ingenuity: вертолет, который не должен был летать
Вертолетный дрон по имени Ingenuity путешествовал в брюхе ровера и был развернут 3 апреля 2021 года.
Мы видели, как NASA добилось потрясающего прогресса с марсоходами за 25-летний период. Но на колесах можно сделать лишь ограниченное количество работы. На Марсе нет дорог. Это суровая неровная местность. Неизбежно вы доберетесь до холма, который слишком крутой, чтобы на него подняться.
Если мы хотим вывести межпланетные исследования на новый уровень, нам нужно научиться летать.
Во многих смыслах Ingenuity был самым большим риском NASA в технологических демонстрациях на Марсе. Потому что мы точно знали, что колеса будут работать на Марсе так же хорошо, как на Земле. Но пропеллеры - это совсем другая история.
Вот дрон DJI Phantom. Вы, вероятно, видели такой раньше, может быть, даже владеете им. Он не так уж отличается от марсианского дрона NASA. Рядом друг с другом они примерно одного размера. DJI немного меньше и примерно на полкило легче Ingenuity.
Используя четыре крошечных пропеллера, Phantom может подняться на тысячи футов в воздух. Ingenuity использует два относительно гигантских пропеллера с размахом 1,2 метра. И с их помощью достигает максимальной высоты около 24 метров.
Ingenuity нужно гораздо более крупное летное оборудование, чтобы достичь гораздо меньшей производительности. Почему? Потому что он летает в среде с плотностью атмосферы менее 1% от земной на уровне моря.
Чтобы найти эквивалентную плотность воздуха на Земле, вам нужно подняться на высоту 26 500 метров. Самая большая высота, на которой кто-либо когда-либо поднимал вертолет, - чуть более 12 000 метров.
Как NASA тестировало невозможное
Чтобы испытать летную систему вертолета на Земле, NASA пришлось использовать вакуумную камеру, имитирующую разреженную атмосферу Марса. Им также пришлось использовать тросовую систему, которая тянула вертолет вверх с правильным натяжением, чтобы симулировать эффект пониженной гравитации.
У них даже были вентиляторы, дующие воздух через камеру, чтобы попытаться имитировать марсианский ветер.
Из-за всех этих факторов пропеллерная система Ingenuity очень уникальна. Каждая лопасть имеет специальную форму для максимальной подъемной силы. Они сконструированы из сверхлегкой пены с оболочкой, усиленной углеродным волокном.
Чтобы достичь взлета на Марсе, лопасти должны вращаться с удвоенной скоростью по сравнению с тем, что требовалось бы на Земле - 2400 оборотов в минуту.
Но это не причина, по которой у дрона двойные пропеллеры. Два пропеллера вращаются в противоположных направлениях, чтобы держать дрон стабильным в полете. Традиционный вертолет использует хвостовой винт для той же работы. А квадрокоптер использует два набора противовращающихся пропеллеров на противоположных углах.
Из-за небольшого размера и высоких энергетических требований Ingenuity ограничен максимум 90 секундами полетного времени, прежде чем ему придется остановиться и перезарядиться.
За три года работы Ingenuity совершил 72 полета, накопив 129 минут налета в воздухе. Он стал разведчиком для Perseverance, помогая планировать маршруты через кратер Jezero.
Будущее: от гексакоптеров до Титана
Этот первоначальный успех уже начал подпитывать новые концептуальные идеи в NASA. Так же, как эволюция роверов от Sojourner к Spirit и Opportunity, то же самое теперь происходит с летающими машинами.
Mars Science Helicopter - это шестипропеллерный дрон массой около 31 кг. Гораздо более крупный гексакоптер сможет пролететь до 10 км за одну миссию и нести до 5 кг научной полезной нагрузки.
Если вспомнить, что ровер Spirit покрыл чуть менее 8 км за весь свой 6-летний срок службы, то пролететь дальше за один день на Mars Science Helicopter было бы гигантским скачком вперед в нашем исследовании красной планеты.
Dragonfly: когда полеты станут рутиной
И это не заканчивается на Марсе. Dragonfly - это квадрокоптер-дрон, который полетит на Титан, спутник Сатурна.
Это сюрреалистичный мир, где замерзшая поверхность покрыта текущими реками и морями жидкого метана - настолько чужой, что это почти непостижимо. Но плотная азотная атмосфера Титана делает его идеальным местом для полета дрона.
Во многих отношениях нам повезло, что Марс предлагает такую сложную среду для практики полетов относительно близко к дому. Потому что если мы сможем освоить искусство полета на Марсе, то возможности для исследования в нашей Солнечной системе станут почти бесконечными.