Ровер

О марсолете, у которого есть собственное название, Ingenuity, мы уже писали как раз тогда, когда рассказывали о посадке ровера на поверхность Красной планеты. Ну а теперь давайте рассмотрим подробнее, что это за летун такой и что он будет делать (чуть приоткроем завесу тайны летать).

В целом, даже то, что марсолет оказался на Марсе историческое событие. Если он полетит, на что мы все здесь надеемся то это будет первый полет на другой планете созданного руками человека вертолете. Речь, конечно, не о реактивной тяге, не о парении и не о падении а именно об управляемом вертикальном полете. Все подробности ниже.

Ingenuity, что ты такое?

В целом, при взгляде на него возникает ассоциация с коптерами винты, корпус, вот это все. Выглядит не совсем привычно, но, в целом, ничего супернеобычного. Но когда узнаешь подробности, то смотришь на марсолет уже немного иначе. В целом, все объясняется фразой это первый аппарат, предназначенный для полета на другой планете.

Он больше, чем кажется. Длина его винтов, вращающихся в противоположные стороны 1,2 метра. На Земле его вес составляет 1,8 кг. На Марсе наш летун весит меньше около 0,68 кг. Это помогает аппарату подняться вверх даже в разреженной атмосфере.

Один из его создателей так описал Ingenuity: Это летательный аппарат, который одновременно является космическим аппаратом. Сложность была не только в том, чтобы адаптировать марсолет к полету в разреженной атмосфере другой планеты, но и в том, чтобы он выдержал взлет с Земли, полет в космическом пространстве в экстремальных условиях, посадку на Марс и потом распаковку и взлет уже на Марсе.


На Красной планете летун должен снабжать себя энергией сам. Начальный заряд (и обогрев) ему дал ровер, но теперь летательному аппарату придется обеспечивать себя энергией самостоятельно. Этому способствуют солнечные панели, которые размещены на лопастях.

Что касается начинки, то здесь нет ничего сверхъестественного всего лишь литий-ионные аккумуляторы и материнская плата, которая вполне могла бы обеспечивать работу средней руки смартфона 2-3 летней давности. Относительная простота конструкции плюс для марсолета, поскольку меньше шансов на то, что что-то выйдет из строя.

Сложного научного оборудования тоже нет, ведь главная задача системы доказать, что полеты на Марсе вообще возможны. Аппаратное обеспечение обеспечивает высокую производительность, которая нужна марсолету. Дело в том, что для нормального полета необходима работа контура управления с частотой 500 циклов в секунду, плюс анализ изображения с частотой 30 кадров в секунду.

SoC Snapdragon 801 (четыре ядра, 2.26 GHz, 2 ГБ ОЗУ, 32 ГБ Flash) отвечает за работу базового системного окружения на базе Linux. Именно оно выполняет высокоуровневые операции, включая:

Визуальную навигацию на основе анализа изображений с камеры.
Управление данными.
Обработка команд.
Формирование телеметрии.
Поддержание канала беспроводной связи.

Посредством интерфейса UART процессор соединяется с двумя микроконтроллерами, это MCU Texas Instruments TMS570LC43x, ARM Cortex-R5F, 300 MHz, 512 КБ ОЗУ, 4 МБ Flash, UART, SPI, GPIO. Они отвечают для различных функций управления полета. Кроме того, они же используются для резервирования на случай сбоя, так что информация, которая к ним поступает, дублируется.

В будущем, если все пройдет хорошо, на Красную планету отправятся и другие летательные аппараты с их помощью можно будет обследовать все гораздо быстрее, чем при помощи колесных роверов. Добраться наследники Ingenuity смогут до регионов, куда роверы доехать просто не смогут.

Несмотря на максимальную эффективность конструкции, марсолет несет лишний груз. Но здесь никакой науки, чистая романтика. Дело в том, что после первого своего полета братья Райт распродали части тканевой обшивки планера. И вот один из кусочков этой ткани находится в марсолете.

Откуда он начнет полет?

Команда марсохода уже нашла своеобразный аэродром для летательного аппарата. Его развертывание займет около недели, после чего начнется проверка всех систем. Затем марсолет поднимется вверх на три метра.


На аэродром его доставит марсоход, который постепенно движется к кратеру Езеро. Полетная площадка небольшая, ее размер составляет 10*10 метров, она ровная и лишена камней. Зона полетов превосходит по размеру аэродром, ее форма вытянута. В пяти метрах от нее будет находиться марсоход, который зафиксирует маневры своего коллеги.


Шесть дней подготовки дрона к полету начнутся как раз после того, как ровер доедет до центра марсианского аэродрома. При этом марсолету предстоит пережить ночь на Марсе. Сначала ровер активирует фиксирующий механизм, после пиротехническое устройство, которое перерезает кабель. Если все пройдет успешно, то манипулятор, который сейчас удерживает марсолет, развернет его в вертикальное положение.


Затем дрон выдвинет две опоры, потом еще две. В процессе подготовки аккумулятор марсолета зарядится от ровера, и уже после этого произойдет его спуск на грунт Марса. Потом команда проекта проведет проверку всех систем и раскрутку винтов до 2537 оборотов в минуту. Ну а солнечные панели, о которых говорилось выше, будут заряжать аккумулятор марсохода в течение всего периода испытаний.

Подробности о полете

Батареи марсолета не очень емкие, их будет хватать примерно на полторы минуты полета системы. Всего ученые запланировоали пять полетов с максимальной высотой взлета в пять метров. Наверное, полетов может быть и больше ведь все мы помним, что расчетный срок эксплуатации Opportunity был 90 дней, да?

Разреженный воздух Марса одновременно усложняет взлет, поскольку он, ну, разреженной, но и увеличивает безопасность полета. Нет ветра (то, что есть на Марсе, несравнимо с земными ветрами), а значит, опрокинуть марсолет будет сложно.

Дрон будет связан с ровером по беспроводной сети. Но пропускная ее способность небольшая, так что снимки полета и, тем более, видео, мы получим не очень скоро.

Начало полета

Если все пройдет хорошо, то первый полет состоится 8 апреля. Именно на апрель рассчитаны те пять полетов, о котрых говорится выше. И все это время ровер не сможет приступить к своей основной научной миссии он будет служить в качестве команды поддержки.


Ну а потом марсолет могут просто бросить (будем надеяться, что нет), поскольку у команды проекта ограниченные ресурсы, и главная задача все же исследование Марса при помощи ровера, а не полеты. Как только возможность взлета будет доказана, ученые переключатся на другие задачи.

Хорошие новости, %username% марсианскому дрону Ingenuity продлили миссию. Теперь его не оставят на произвол судьбы после завершения небольшой серии испытаний, а продолжат использовать и задачи на дрон возложены достаточно серьезные.

Выбор ученых, собственно, вполне логичен Ingenuity будет изучать местность по ходу маршрута ровера, что поможет прокладывать безопасный для Perseverance путь с выбором наиболее интересных объектов для изучения.

Что поменялось?

С самого начала планировалось пять тестовых полетов марсолета. При этом ученые говорили, что и на первый успешный полет можно особенно не рассчитывать, поскольку факторов риска очень много. Но после того, как все получилось, причем успешными были сразу три полета кряду, команда проекта решила продлить срок работы Ingenuity.

Да, с четвертым тестовм возникли небольшие затруднения, но это не проблемы механики, а лишь небольшие неполадки с программным обеспечением. Поэтому команда решила продлить срок эксплуатации дрона. Сейчас руководство проекта планирует разработать план аэрофотосъемки местности, настолько, конечно, насколько этот термин соответствует реалиям Марса и возможностям дрона.

Планируется, что полеты будут выполняться 1-2 раза в месяц, причем без значительного отвлечения ресурсов от основной программы то есть от исследовательской программы самого ровера. Задача марсолета сейчас исследование потенциально интересных для науки объектов, изучение возможных маршрутов следования ровера и составление детальных фоотчетов ландшафта.

Что умеет Ingenuity?

Сложного научного оборудования тоже нет, поскольку приоритетная задача аппарата доказать, что полеты на Марсе вообще возможны. И как раз главная миссия выполнена марсолет успешно взлетел уже четыре раза.

Перед основным полетом возникла проблема с программным обеспечением, после чего потребовалось удаленное обновление ПО. В ходе четвертого полета зафиксированы проблемы со сторожевым таймером. Из-за этого его пришлось перенести на 30 апреля. Но в конечном итоге проблемы удалось успешно решить и марсолет провел в полете целых 117 секунд. Сначала он поднялся на высоту в 5 метров, потом пролетел горизонтально 133 метра на юг, и в итоге вернулся в исходную точку полета, где и совершил мякую посадку.

Аппаратное обеспечение обеспечивает высокую производительность, которая нужна марсолету. Для нормального полета необходима работа контура управления с частотой 500 циклов в секунду, плюс анализ изображения с частотой 30 кадров в секунду.

SoC Snapdragon 801 (четыре ядра, 2.26 GHz, 2 ГБ ОЗУ, 32 ГБ Flash) отвечает за работу базового системного окружения на базе Linux. Именно оно выполняет высокоуровневые операции, включая:

• Визуальную навигацию на основе анализа изображений с камеры.
• Управление данными.
• Обработка команд.
• Формирование телеметрии.
• Поддержание канала беспроводной связи.

Посредством интерфейса UART процессор соединяется с двумя микроконтроллерами, это MCU Texas Instruments TMS570LC43x, ARM Cortex-R5F, 300 MHz, 512 КБ ОЗУ, 4 МБ Flash, UART, SPI, GPIO. Они отвечают для различных функций управления полета. Кроме того, они же используются для резервирования на случай сбоя, так что информация, которая к ним поступает, дублируется.

В будущем, если все пройдет хорошо, на Красную планету отправятся и другие летательные аппараты с их помощью можно будет обследовать все гораздо быстрее, чем при помощи колесных роверов. Добраться наследники Ingenuity смогут до регионов, куда роверы доехать просто не смогут.

В чем вообще проблема с Марсом?

В том, что его атмосфера очень разрежена. Вертолетам в таких условиях летать еще не приходилось. Плотность атмосферы у поверхности Марса составляет 20 граммов в кубометре, что в 61 раз меньше плотности земной атмосферы (1,225 килограмма в кубометре). На Земле такая плотность примерно на высоте от 28 до 30 км. Но здесь не то, что вертолеты, самолеты редко бывают.

Так что инженерам пришлось создать аппарат нового типа. Он прошел испытания на Земле, в искусственно разреженной атмосфере. Но понятно, что сомнения в его работоспособности были. И все прошло гладко мало того, что марсолет добрался до Красной планеты, успешно был опущен ровером на поверхность Марса, так еще и полетел без особых проблем.


В целом, без преувеличения можно сказать, что маленький марсолет смог дать начало новому этапу освоения соседа Земли. Одно дело кататься по поверхности Марса. И другое обследовать его сверху, с небольшой высоты, фиксируя все детали. С нетерпением ждем новых успехов и желаем всяческих успехов команде проекта.

^{Вид на Землю и Луну из первой точки Лагранжа. Изображение: CNSA / CLEP}

В конце 2020-го года аппарат Change 5 доставил на Землю новые образцы лунных пород в ходе пятой беспилотной китайской миссии. Но на этом его миссия не закончилась, он продолжает исследовать глубины космоса. Недавно Национальное космическое управление Китая (Chinese National Space Administration's, CNSA) получило сделанные зондом с расстояния 1,5 млн км снимки, на которых изображены Земля и Луна вместе.

Не первые на Луне

Центральной задачей миссии Change 5 была доставка на Землю лунного реголита. Зонд отправился к спутнику в конце 2020 года. На Луне приземлился спускаемый аппарат. Пробурив лунную поверхность, он собрал образцы местных пород и отправил их на Землю.

^{Инфракрасное изображение капсулы с лунными образцами. Изображение: CCTV / framegrab}

Капсула с лунными образцами приземлилась на территорию Внутренней Монголии. Благодаря этой миссии Китай вошел в тройку стран, собравших и доставивших образцы с лунной поверхности.

Помимо первых анализов лунных проб, стали доступны фотографии, которые зонд сделал в первой точке Лагранжа. На одном из снимков видно одновременно Луну и Землю. Увидеть на одном снимке оба объекта особенно примечательно, ведь среднее расстояние до Луны от Земли составляет 384,4 тыс.км. А сам снимок сделан с расстояния 1,5 млн км от Земли.

^{Вид на Солнце с зонда. Изображение: CNSA / CLEP}

На следующем снимке видно Солнце также из первой точки Лагранжа.

^{Изображение: CNSA / CLEP}

По сути все эти изображения нестандартная задача для зонда, его аппаратура не предназначена и не подготовлена для получения подобных снимков.

Миссия N5

Change 5 стала первой миссией после советской 1976 года, которая доставила образцы лунных пород для научных исследований, поэтому к ней наблюдается особенный интерес.

Космический зонд Change5 отправился в свое долгое путешествие с космодрома Вэньчан (Wenchang Space Launch Center) провинции Хайнань.

Вес корабля составляет более 8 тонн, он состоит из четырех модулей. Два модуля доставили на лунную орбиту. Другие сборщик проб и подъемный аппарат прилунились 1 декабря. Остановка состоялась в Океане бурь (Oceanus Procellarum) на горе Монс Рюмкер (Mons Rmker). Аппарат должен был выполнить все работы за 2-3 недели, так как работает на солнечной энергии.

Сейчас миссия Change 5 завершила основные задачи. Сейчас зонд занялся выполнением побочных проектов. Дело в том, что на борту космического аппарата, доставившего капсулу, еще осталось топливо. Так что зонд продолжает работать в штатном режиме на орбите вокруг первой точки Лагранжа в системе Солнце Земля.

Сейчас у поверхности Луны находится еще 3 китайских космических корабля:

• посадочный модуль Change3;
• посадочный модуль Change4;
• марсоход Yutu 2.

В 2019 году Change4 прилунился на обратной стороне Луны. Он стал первым космическим кораблем, осуществившим подобную посадку. Зонд выполнил все запланированные задачи, но до сих пор функционирует и работает над новыми.

Что еще?

В ходе выполнения миссии Change5 в капсуле на Землю для дальнейшего изучения доставили 2 кг лунного грунта. Посадка капсулы велась в прямом эфире. Помимо китайских ученых к процессу собирались подключить коллег из Европы.

Почему такой интерес у китайских ученых и астронавтов к Луне? Для глобальных космических исследований Луна отлично подходит. Чем именно:

• Можно как отработать автоматическую посадку сложных аппаратов.
• Проще поддерживать связь с аппаратом благодаря относительно небольшому расстоянию от Земли.
• Относительно невысокая стоимость миссии по сравнению с полетами к другим космическим объектам.
• На экспедицию к Луне с высадкой на поверхность уходит порядка 10-14 дней в отличие от других миссий, которые требуют несколько месяцев или даже лет полета.

В 2023-2024 годах Китай планирует доставку на Землю грунта с южной полярной лунной области. Космический аппарат Change6 технологически будет идентичен зонду для пятой миссии.

Обложка к комиксу Weird science. 50-годы

NASA разрабатывает планетоход VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover), который будет искать и составлять карту залежей воды на Луне. VIPER планируют доставить на поверхность Луны уже к концу 2023 года. Исследовательский центр Эймса отвечает за управление работой планетохода, разработку его программного обеспечения и систем контроля. Оборудованием занимается космический центр Джонсона, научными инструментами исследовательский центр Эймса и космический центр Кеннеди. Компания Astrobotic из Питтсбурга выиграла контракт на запуск, транспортировку и доставку планетохода на поверхность Луны. По данным NASA, общие затраты на разработку миссии составляют $433,5 млн долларов.

Ключевые факты

• Способ доставки на Луну: ракета-носитель и посадочный модуль;
• Продолжительность полета: 100 земных дней.
• Высадка планетохода должна осуществиться на Луне в начале летнего сезона на Южном полюсе, в самые продолжительные периоды солнечного света, чтобы было легче поддерживать работу ровера.

Задачи планетохода VIPER

В ближайшие годы в NASA намерены вновь отправлять людей на Луну (программа Артемида). Целью миссии планетохода является сбор данных, которые помогут составить дальнейшие планы по постройке баз на Луне. В лунных полярных регионах большое количество водяного льда. Его наличие связано с осевым наклоном Луны, который обеспечивает постоянное затенение полярных областей, а отсутствие прямых солнечных лучей не позволяет льду сублимироваться в кислород и газообразный водород. Лед будет необходим для жизни человека на Луне. Он будет использоваться для всего питья, орошения, производства газообразного кислорода и водородного топлива.

Оказавшись на Луне, VIPER будет собирать пробы различных почвенных сред для создания глобальных карт водных ресурсов Луны, которые пригодятся при постройке баз. Планетоход поможет ответить на вопросы о том, где находится вода, насколько глубоко и в каком количестве.

Что мы знаем о конструкции планетохода VIPER

Ровер оснащен:

• системой спектрометров NIRVSS, NSS (будет использоваться для выявления воды под поверхностью);
• инструментами для наблюдения за лунными операциями с масс-спектрометром MSolo;
• буровой установкой TRIDENT (длина бура 1 м) для изучения новой местности, получения и последующего анализа образцов почвы;
• аккумулятором на солнечной батарее (максимальная мощность 450 Вт);
• четырьмя колесами.

Параметры VIPER:

• Размер 1,5 м х 1,5 м х 2,5 м,
• Вес 430 кг;
• Максимальная скорость 0,8 км/ч;
• Шаг от 4 до 8 метров (в зависимости от указаний диспетчеров миссии на Земле).

Поскольку на данный момент неизвестно, какой будет почва в полярных регионах Луны твердой или рыхлой, планетоход отличается беспрецедентной маневренностью и проходимостью. VIPER может двигаться вбок и по диагонали, вращаться по кругу двигаться в любом направлении. Если он встретит на своем пути мягкую почву, он даже сможет ходить колесами, независимо перемещая каждое колесо, чтобы освободиться от грунта.

Сильные колебания света и темноты на полюсах Луны создают очень длинные и быстро движущиеся тени. VIPER, работающий на солнечной энергии, должен отступать от надвигающихся теней, поскольку он ищет подходящую территорию для забора материалы, поддерживая связь с Землей. Периоды темноты будут долгими, около одной земной недели, поэтому планетоход будет парковаться на возвышенностях, чтобы сократить простой до 4 дней. Данные факторы усложняют планирование и построение маршрута планетохода.

Также VIPER первый планетоход NASA с фарами, так как он будет исследовать темные кратеры, куда не проникает солнечный свет. Исследования, проведенные в прошлом году, показали, что вода находится по всей Луне, включая участки, подверженные прямому солнечному свету, и в специальных карманах на поверхности, называемых холодными ловушками, которые постоянно находятся в темноте. Многие из этих холодных ловушек находятся в ударных кратерах, что делает их интересными объектами для исследования.

Предшественники планетохода VIPER

В настоящее время планетоходы запускаются на Луну и Марс. Некоторые планетоходы были сконструированы для перемещения членов экипажа космической экспедиции, другие были исследовательскими аппаратами дистанционно управляемыми роботами. Планетоход должен обладать стойкостью к перегрузкам, низким и высоким температурам, давлению, пылевому загрязнению, химической коррозии, космическому излучению. Также ему важно сохранять работоспособность без ремонта в течение необходимого для исследований времени.

Давайте вспомним планетоходы, которые уже побывали на других планетах.

Луноходы:

1. Луноход-1 (1970, СССР) первый в мире планетоход, успешно работавший на поверхности Луны;
2. Лунные автомобили программы Аполлон (1971-1972 гг., США) использовались для обеспечения большей подвижности экипажей Аполлон -15, 16, 17;
3. Луноход-2 (1973, СССР) предназначен для изучения механических свойств лунной поверхности, фото- и телесъемки Луны, проведения экспериментов;
4. Yutu (2013, КНР) первый китайский луноход. После 40 дней работы потерял подвижность и продолжил работу в стационарном режиме;
5. Yutu-2 (2019, КНР) первый в мире луноход, изучавший обратную сторону Луны;
6. Прагъям (2019, Индия) разбился о поверхность Луны в результате неудачной посадки.

Марсоходы:

1. ПрОП-М (1971, СССР) название двух первых в мире марсоходов, которые достигли поверхности Марса, но так и не начали работу;
2. Sojourner (1997, США) первый работающий марсоход, передал 550 фотографий и более 15 раз провел химический анализ марсианских камней и грунта;
3. Spirit (2004, США) первый из двух запущенных марсоходов, в рамках проекта Mars Exploration Rover. Осуществлял анализ геологических пород. В 2009 году марсоход застрял в песчаной дюне.
4. Opportunity (2004, США) второй марсоход проекта Mars Exploration Rover. В конце апреля 2010 года продолжительность миссии достигла 2246 солов ( марсианские сутки 24 часа 39 минут 35,24409 секунды), что сделало ее самой длительной марсианской операцией. В 2019 году миссия была официально завершена.
5. Curiosity (2012, США) автономная химическая лаборатория, работает в настоящее время, проводит полноценный анализ марсианских почв и компонентов атмосферы;
6. Perseverance (2021, США) разработан для исследования кратера Езеро. Марсоход впервые переработал углекислый газ из атмосферы Марса в кислород;
7. Zhurong (2021, КНР) первый китайский марсоход, приземлившийся на планете. В его задачи входит картирование структуры планеты, изучение характеристик поверхностного слоя и распределения водяного льда в нем, анализ состава материалов поверхности, измерение параметров ионосферы планеты, электромагнитного и гравитационного полей и получение информации о климате.