Аппарат массой всего 1,8 килограмма смог совершить революцию в представлении о том, как люди способны изучать объекты за пределами Земли. Полеты вертолета Ingenuity, которые вызывали детский ажиотаж как некое развлечение, спустя годы будут восприниматься как начало новой эпохи в исследовании планет и их спутников. Давайте посмотрим, почему же наследие маленького вертолета, «который смог», не стоит недооценивать.
Смелая идея
Мысль о том, почему исследовать ту или иную местность с воздуха выгоднее, чем с поверхности, кажется простой и логичной. Можно охватить гораздо больше пространства за единицу времени, можно быстрее перемещаться. В то же время идея изучать Марс с помощью какого-то летательного аппарата, а не с помощью привычных роверов, долгое время не воспринималась всерьез. Неочевидных проблем много, а основные – на поверхности. Во-первых, без прямого управления такое летающее устройство долго вряд ли протянуло бы. Во-вторых, решение задачи устойчивого полета в очень разреженной, неплотной и нестабильной атмосфере Красной планеты выглядело слишком сложным.
Впрочем, уже в 1990-х отдельные исследовательские центры и компании проводили моделирование того, как можно было бы приспособить нечто с крыльями или винтами для изучения Марса с высоты. Рассматривались самые диковинные концепции: от планеров до квадрокоптеров. Но все на уровне фантазий. Тем не менее, технологии развивались и позволяли делать все более «умные», компактные и сложные устройства одновременно.
В 2010-х годах окончательно оформилась концепция предпочтительного летательного аппарата – четырехлопастный соосный вертолет. Детали «докручивались» по ходу тестирования и додумывания – у того же Ingenuity некоторые компоненты мачты, несущей винты, менялись чуть ли не перед самым стартом. Именно их конструкция. Уверенность в инженеров Лаборатории реактивного движения NASA вселили испытания в барокамере, где имитировались марсианские условия, соответствующие высоте в 30 километров в атмосфере Земли. Прототипы будущего Ingenuity, о котором тогда никто и не думал, конечно, показывали себя неустойчивыми, неуклюжими, однако перспективными при доработках.
Борьба за место
С первой сложностью, которая могла стать роковой, Ingenuity столкнулся еще на стадии, когда и имени собственного не имел, и места в программе исследований Марса. Нужно понимать, что NASA довольно громоздкая структура, где много тысяч человек принимают длительные политические и стратегические решения, а каждый бюджетный цент согласовывается сильно заранее.
Идеей с отправкой вертолета на Марс загорелись буквально несколько десятков человек – не более. Когда потенциальная миссия обрела более-менее реальные очертания, под нее просто не было места в расписании. Все же отправка чего-либо на Марс – это не оформление посылки «Почтой России». Ближайшую доступную возможность давал проект «Марс-2020», который превратился в хорошо нам сейчас знакомый ровер Perseverance.
Но проблема в том, что конструкция и бюджет Perseverance уже были утверждены и проект собрали в значительной степени. И надо понимать мысли команды ровера, которая совершенно не думала ни о каком вертолете. Сама эта идея скорее внушала страх, потому что это предполагало не только отвлечение на какой-то посторонний аппарат, но еще и создание риска для основной миссии ровера, который должен был исследовать породу на Марсе, искать там следы былой жизни и отбирать образцы в пробирки для исторической отправки их на Землю в дальнейшем. Тут не до запуска «вертолетиков».
Звучала даже открытая критика в адрес Ingenuity со стороны проектной команды Perseverance. И тут уже стоит вспомнить, что NASA – это не только тяжеловесная бюрократическая машина, но и структура, которая умеет играть и в маркетинг, и в пиар, а также не упустит возможности опробовать нечто новое. Так удалось достичь компромисса. Сама идея отправки вертолета на Марс будоражила умы обывателей, которые к роверам-то только стали привыкать. Ведь на Красной планете колесит до сих пор Curiosity, недавно ездили Spirit с Opportunity. Так сразу не разберешь, почему вдруг Perseverance сильно интереснее и важнее этих своих собратьев. А вертолетом можно как минимум привлечь внимание – это нечто новое и необычное.
Но создателей Ingenuity жестко ограничили. Во-первых, сроком эксплуатации. Команда Perseverance на возню с вертолетом могла выделить только 30 солов (около земного месяца). Дальше ровер должен был ехать по своим делам и бросить вертолет. Во-вторых, финансирование лимитировалось на уровне 80 миллионов долларов. Эта сумма кажется большой, но вспомните, что сам Perseverance стоил около 2,5 миллиарда. Так что по меркам космических миссий затраты смехотворны.
Согласившись на такие компромиссы, инженеры Perseverance принялись переделывать конструкцию ровера и его тонкую балансировку, которая крайне важна при посадке на Марс с орбиты. Еще нужно было предусмотреть радиостанцию для связи между ровером и вертолетом, а также систему выгрузки коптера на поверхность с борта марсохода, что само по себе было нетривиальной задачей.
Простая начинка
Ограничение в бюджете сделало Ingenuity по-настоящему «народным» аппаратом. Точнее, неким гибридом. Например, главную роль в разработке играла компания AeroVironment при поддержке Lockheed Martin. Обе фирмы специализируются на оборонных заказах, на военной технике. Инженеры AeroVironment имели долгие годы «хобби» – прорабатывали идеи создания марсианского летательного аппарата. И когда возникла такая необходимость, Лаборатория реактивного движения NASA к ним и обратилась.
Какая же тут «народность», если за дело взялись оборонные предприятия, а речь идет о космической технике, где все стоит колоссальных денег и отдает секретностью? А дело в компонентах. Поскольку миссия носила характер демонстрационной, создатели вертолета всю свою хитрость применили к конструкционным особенностям, а инструменты и отдельные компоненты чуть ли не из соседнего магазина радиодеталей брали.
Конечно, винты, система управления лопастями – тут собственные разработки, результат многолетних исследований. А вот, например, радиосвязь с ровером обеспечивалась по протоколу Zigbee. Название вам может показаться знакомым, если вы пользуетесь «Умным домом», например, «Алисой». Да, там тоже есть этот протокол. Правда, Ingenuity и Perseverance могли связываться через него на дистанцию в 1 километр (практика показала, что и больше). Собственного доступа к связи со спутниками-ретрансляторами и Землей вертолет не имел – все проходило через ровер.
А, например, аккумуляторы использовались от фирмы Sony. Как и матрица основной цветной камеры. Навигационная черно-белая камера использовала матрицу Omnivision. Даже инерциальный датчик, отвечающий за «понимание» положения вертолета, практически такой же, что используется в современных смартфонах. Ничего «космического».
Таким образом, Ingenuity имел строгий набор компонентов: ценную систему винтов, несколько управляющих плат, шесть литий-ионных аккумуляторов, цветную обзорную и черно-белую навигационную камеры, а также несколько датчиков определения положения, среди которых инерциальный, инклинометр и альтиметр – простой лидар.
Очень большое значение имело программное обеспечение, которое должно было работать автономно и проводить вертолет по заданному маршруту с реакцией на конкретное окружение. Ведь у пилота не было возможности напрямую управлять Ingenuity. К слову, ПО на базе операционной системы Linux регулярно обновлялось и переписывалось, добавлялись функции и возможности.
При этом опираться только на показания инерциальных датчиков Ingenuity не мог. Компьютер был настроен на визуальную ориентацию. То есть просчитывал положение, исходя из того, что «видела» его навигационная камера, комбинируя данные инерциальных датчиков, инклинометра и альтиметра. К слову, с ними возникали порой сложности из-за непростого рельефа. Иногда их удавалось предугадывать. Например, когда команда миссии специально отключила некоторые системы, намереваясь сфотографировать элементы «небесного крана», то есть механизма, спустившего Perseverance на поверхность Марса. Некоторые его фрагменты могли сильно отблескивать и «ослепить» навигационную систему Ingenuity. И такие нюансы приходилось скрупулезно просчитывать.
Глядя на все эти изощренности, понимаешь глубинный смысл выбранного названия для вертолета. Ведь Ingenuity означает «Изобретательность». Ее пришлось проявить авторам проекта во всей полноте, чтобы полет просто состоялся.
72 вместо 5
Итак, мы помним, что миссия Ingenuity носила лишь демонстрационный характер. То есть программа заключалась в том, чтобы показать, что вертолет такой конструкции в принципе летать в марсианской атмосфере может. И все. На это отводилось 30 солов и всего пять полетов. Буквально по схеме: сначала взлетели и сели, потом взлетели, отлетели в сторону, вернулись и сели, потом взлетели, отлетели подальше и сели. Никаких выкрутасов.
Но Ingenuity слишком полюбился публике. На раннем этапе миссии новости с ним были куда более популярными и интригующими, чем события из жизни Perseverance. Дошло до того, что на каком-то этапе Лаборатория реактивного движения NASA просто уже ограничивалась сообщениями об очередном полете Ingenuity, записывая его в специальный журнал – без каких-то пояснений, информационного шума. Не хотели отвлекать внимание от основной миссии ровера.
Но и «убивать» вскоре после первых полетов заинтересовавший всех проект не хотелось. Поэтому миссию Ingenuity продлили, пусть и сократив частоту вылетов. Так Perseverance мог заниматься своей исследовательской деятельностью, лишь периодически отвлекаясь на наблюдения за вертолетом и пересылку данных с него. Миссия из класса «демонстрации технологий» перешла в разряд «демонстрации возможностей». Кажется, что названия похожие, но есть принципиальная разница.
Первые пять полетов показывали саму способность такого аппарата летать на Марсе. А последующие уже использовались для того, чтобы показать, какую пользу науке и изучению Красной планеты конкретно может принести такой вертолет. Для этого он тоже преодолевал лимиты, но не самоубийственно, а постепенно. Например, когда из-за разогрева атмосферы вследствие запыленности упала ее плотность, инженеры раскрутили винты с 2537 оборотов в минуту до 2800, то есть практически до физического предела. Ведь физика не позволяет такого рода аппаратам раскручивать лопасти быстрее скорости звука – тогда грозит разрушение. Каждый раз программно добавлялись те или иные возможности. Был расширен диапазон включения обогрева для сохранения ресурса аккумулятора. Ingenuity уже рисковал, включая прогрев при –40 градусах Цельсия, а не при –15, как это планировалось изначально.
И вот такими шажками команда миссии проверяла возможности аппарата, испытывала его. Не говоря уже о прямых рекордах наподобие самого дальнего перелета, самой высокой скорости и самой большой высоты. На сложных хребтах и дюнах тестировалась технология умной навигации. Порой, кстати, она «сходила с ума», что приводило к раскачиванию вертолета. Но команда это распознавала и в следующем программном матче «чистила» недочет.
В какой-то момент вертолет пытались использовать в качестве разведчика для Perseverance. И местами он даже помогал роверу. Однако эта роль, которая кажется самой очевидной на первый взгляд, так и не стала приоритетной. Дело в том, что для выстраивания стратегического маршрута марсохода использовались снимки с орбитального аппарата MRO, который имеет на борту камеру-телескоп HiRISE. Ее разрешения достаточно, чтобы понять, куда нужно двигаться и как. А на местности и сам ровер хорошо ориентируется. Он оснащен системой автонавигации, которая позволяет ему избегать опасных участков и самостоятельно «принимать решение», как продвигаться к назначенной точке и преодолевать за один раз внушительные отрезки. Так что в этом компоненте Ingenuity не оказался тем помощником, каким мог быть.
Тем не менее, командам Ingenuity и Perseverance удалось наладить совместную работу таким образом, что аппараты двигались более-менее синхронно и при этом разными путями, выполняя каждый свою задачу. Да, порой роверу приходилось отвлекаться от маршрута, чтобы проверить, как себя чувствует вертолет. Ведь тот иногда терял связь, сталкиваясь с переразрядом или оказываясь за каким-то препятствием, где сигнал не проходил. Но всякий раз эта пара продолжала путь, пока не случилась роковая авария.
Авария
18 января 2024 года спустя почти три года после первого полета Ingenuity совершил последний рейс. Это был 72-й вылет. После посадки аппарат перестал реагировать на запуск винтов. Возникли подозрения в том, что они повреждены. Чтобы проверить это, Perseverance отправили в зону прямой видимости с вертолетом, и он смог сфотографировать севший на склоне дюны аппарат, а также получить снимки с бортовой камеры Ingenuity. По тени на поверхности песка было понятно, что одна лопасть винта полностью сломана, кончики других также повреждены. Это означало конец миссии.
Инженеры пришли к выводу, что аппарат ударился винтами о склон дюны при посадке, потому что «потерялся». Местность для навигационной камеры оказалась слишком однородной, и система не смогла распознать движение, из-за чего возник сбой в определении положения. Это и привело к удару. Даже авария станет отличным толчком к тому, чтобы усовершенствовать в будущем эту навигационную технологию. В Лаборатории реактивного движения NASA вообще после этого заявили, что для будущих марсианских баз необходимо развертывание подобия GPS на орбите. И это решит многие проблемы. То же касается, кстати, и освоения Луны, что ближе в перспективе.
Наследие
Ingenuity за почти три года работы преодолел 17,242 километра. Он провел в полете в общей сложности 2 часа 8 минут 55 секунд. Максимальная высота полета составила 24 метра (а начинал со скромных 5 метров), а скорость развил до 36 км/ч. Ingenuity добился главного – теперь нет сомнений в том, что с помощью таких коптеров можно многое делать на Марсе и не только.
Теперь гораздо увереннее себя чувствуют создатели миссии Dragonfly, которая вскоре полетит на спутник Сатурна Титан. Это тоже будет винтокрылая машина.
Китай теперь планирует свою миссию по доставке грунта с Марса с использованием подобных вертолетов, потому что с их помощью можно с разных участков Красной планеты доставлять образцы на платформу, которая отправит груз на Землю. Да и NASA рассматривает возможность применения подобных аппаратов для тех же целей. И прорабатывает концепцию более крупного коптера с большим набором научных инструментов. И дорогу им, а также массе других перспективных аппаратов проложил Ingenuity.
Да и сейчас он не мертв. Perseverance уехал от вертолета, поэтому связи с ним нет. Но перед этим команда миссии загрузила на борт Ingenuity новое программное обеспечение. Он стал своего рода маленьким летописцем. Аппарат будет собирать данные о заряде и разряде батареи, периодически делать снимки окружающей местности и записывать метеорологические данные, чтобы когда-нибудь в будущем его кто-то обнаружил и смог забрать эти сведения. Если батареи сохранятся в хорошем состоянии, то это могут быть данные за долгие годы. И тогда название, данное холму, на котором навсегда остался Ingenuity, обретет новый смысл. Его именовали Valinor Hills, сделав отсылку к «Властелину колец», ведь там обитали бессмертные.
Человек любит символы, любит придавать символическое значение разным событиям, явлениям. Космонавтика очень молода относительно других инженерных наук. Поэтому ее символы нам хорошо знакомы и близки, они яркие и отчетливые. У них разный масштаб, но у каждого есть свое место в истории: от запуска первого спутника и первого человека на орбиту и на Луну до первой посадки ракеты и выхода туристов в открытый космос. Наверняка миссия вертолета Ingenuity займет свое почетное место в истории освоения космического пространства.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
