Первый вертолёт на Марсе

Последовательность первого запуска первого марсианского вертолёта Ingenuity (запланировано в апреле):

1. Вертолёт отстыкуется от марсохода. Марсоход отъезжает.
2. Вертолёт взлетает на 13 см, но с кабельным соединением с марсоходом.
3. Пирозарядом отстреливают провод.
4. Вертолёт взлётает до 3х метров (скорость набора высоты — 1 м в сек).
5. 30 секунд зависания (запас хода вертолета 90 секунд).
6. Посадка.

На вертолете Ingenuity будет кусочек ткани с самолёта Flyer 1 братьев Райт. Ingenuity это не первый аппарат NASA который несёт в себе кусочек Flyer 1 за пределы Земли. Ещё один кусочек слетал на Луну и обратно на борту Apollo 11.

Под катом — конспект видеорепортажа 2019 года про Ingenuity и разговор с разработчиками.

Первый полет с приводом (powered flight) над другой планетой

В 1985 СССР использовал летающие гелиевые шары для исследования Венеры. В рамках миссии Вега два зонда более 46 часов передавали данные с высоты 54 км.

Условия полёта на Марсе

Летать на вертолете в Марсианской атмосфере — это как летать на высоте 30 км над Землей. Ни один вертолёт не взлетал выше 12 км, а рекорд для самолетов — 26 км.

Плотность атмосферы на Марсе составляет 1% от плотности воздуха у поверхности Земли. На Земле кубометр воздуха весит 1,205 кг, тот же объём на Марсе будет весить где-то 15-18 грамм.
Чтобы летать нужен мощный поток. Самое простое решение — быстрее вращать лопасти.

Плотность атмосферы на Марсе — 1% от земной.
Гравитация на Марсе — 38% от земной.

Скорость звука на Земле — 340 м/с
Скорость Звука на Марсе — около 240 м/с

Скорость вращения лопастей Ingenuity составит 2300-2900 оборотов в минуту (40-50 оборотов в секунду).
Скорость вращения лопастей земного вертолета — 500 оборотов в минуту (9,5 оборотов в секунду.

Есть ограничение: нельзя, чтобы кончики лопастей вертолёта превысили скорость звука, из-за ударных волн возникает нестандартная аэродинамика и трансзвуковые потоки. В расчетах заложена скорость лопасти 70% от скорости звука.

Масса вертолёта — 1,7 кг.

Винты и лопасти

У вертолета Ingenuity две лопасти из пенокартона, покрытого слоем углеволокна. Каждая лопасть весит 35 г. Лопасти вращаются 40 оборотов в секунду во время полёта. Вертолёт рассчитан на 90 секунд полёта.

За основу не взяли квадрокоптер, т.к. лопасти квадрокоптера должны быть такими длинными, что аппарат не поместился бы на Ровере.

Вертолет выполнен по соосной схеме с двумя винтами диаметром 1,2 метра, которые позволят ему парить в воздухе. Два соосных винта — самое простое решение, т.к. они эффективнее образуют подъемную силу, когда находятся друг над другом.

Соосная схема — схема построения вертолёта (или же авиационных винтов), при которой пара установленных параллельно винтов вращается в противоположных направлениях вокруг общей геометрической оси.

На Марсе песчинки переносятся ветром, и они могут накапливать трибоэлектический заряд. Разряд может ионизировать газы у поверхности, что может повлиять на химию атмосферы Марса. Если разряды происходят ночью, то можно увидеть искры.

Трибоэлектрический эффект — появление электрических зарядов в материале из-за трения. Является типом контактной электризации, в которой некоторые материалы становятся электрически заряженными после того, как они входят в фрикционный контакт с другим материалом.

Эффект Коппа-Этчеллса — один из частных случаев триболюминесценции (см. также Triboluminescence). Термин происходит от греческого τρίβειν — «трение» и латинского lumen — «свет». Свет генерируется за счет разрыва химических связей в материале при его разделении, разрыве, дроблении, растирании или ином схожем механическом воздействии.

Один американский журналист заметил необычное свечение, возникающее при посадке или взлёте вертолёта в пустыне из-за трения лопастей вертолета о частички песка и пыли в воздухе. Явление было им названо в честь двух американских солдат — Коппа и Этчелса — погибших в июле 2009 года в Афганистан.

Симулятор разреженной атмосферы и гравитации Марса на Земле

Building 150 — Twenty-Five-Foot Space Simulator

Есть Twenty-Five-Foot Space Simulator, там можно воссоздать любое давление и проверить аэродинамическую составляющую, но нельзя смоделировать пониженную гравитацию.

Twenty-Five-Foot Space Simulator

Чтобы протестировать вертолёт, использовали гравитационную разгрузку. Т.е. подтягивали вертолёт вверх, чтобы он поднимал только 30% своей массы, как будет на Марсе.

Использовали хайтек катушку, щеточный двигатель постоянного тока, датчик крутящего момента и блок, закреплённый высоко под потолком, который тянул за рыболовную леску с нужной силой.

Откачали воздух, включили систему гравитационной разгрузки, по сути, вертолёт оказалась «на Марсе», в тех же условиях.

Ранний прототип с управлением с джойстика

Прототипом пытались управлять с помощью джойстика, но это было бы супер сложно сделать даже если бы пилот находился на поверхности Марса (не говоря о задержке сигнала с Земли). Из-за аэродинамики есть задержка между командой и реакцией аппарата, потому человеку сложно его пилотировать. А управлять с Земли невозможно — будет задержка в 20 минут. Вертолету необходимо автоматической управление.

Вертолёт может летать автономно благодаря гироскопу, акселерометрам, камере, высотомеру и датчику наклона.

Все приборы будут работать в реальном времени. Снимать поверхность, замерять скорость, положение летательного аппарата. Оценка состояния во время полёта происходит непрерывно, это сотни раз в секунду. Данные постоянно поступают в систему обратной связи, чтобы корректировать наклон лопастей согласно поступающим данных.

Ветер

Пылевая буря на Марсе 2018 года.

Скорость ветра на Марсе: 2-7 м/с (лето), 5—10 м/с (осень), 17—30 м/с (пылевой шторм)

Инженеры собрали импровизированную открытую поперечную аэродинамическую трубу из 960 (компьютерных) вентиляторов, стало ясно, что вертолёт выдерживает полёт при ветре 11 м/с.

Батарейка

Вертолетик заряжается за 1 полный марсианский день (сол). Емкость аккумулятора от 35 до 40 Ватт-часов. Это как 3 батарейки смартфона. Но основная часть энергии уходит не на полёт.

Вертолетик должен выдерживать низкие ночные температуры от -80 от -100 градусов по Цельсию. Аккумулятор постоянно обогревается. Его облепили электроникой, чтобы она тоже обогревалась. Примерно 2/3 энергии будет уходить на обогрев и поддержание температурного режима элементов и разогрев частей для работы. Лишь треть энергии уходит на полёт.

Термоизоляция

Сверху установлена солнечная батарея с антенной, ниже находится винтокрылая система, а внизу куб, он же фюзеляж.

Этот куб закрыт.

В центре куба кольцо из батарей. Между батареями и платами есть свободное пространство. Мы закроем фюзеляж и наденем специальную обшивку. Она будет удерживать внутри углекислый газ. Таким образом мы используем углекислый газ как изоляционный материал.

По началу как изоляционный материал рассматривали аэрогель, но оказалось, что углекислый газ полностью отвечает требованиям нашей тепловой модели. Плюс это дополнительный вес.

Путь до Марса

До Марса надо сначала долететь. Вертолёт должен выдержать стартовую перегрузку. Вибрационные нагрузки больше 80 g. Потом 7 месяцев космического радиационного фона.

После 9 g в марсианской атмосфере, аппарат надо ещё распаковать.

Вертолет совершит полет на Марс под днищем марсохода Perseverance, прикрытый щитом, чтобы защитить его во время спуска и посадки. В подходящем месте на Марсе щит упадет. Затем команда распакует вертолет в несколько этапов, чтобы безопасно поставить его на поверхность.

Вертолет отделится от ровера при помощи разрывного болта.

Когда вертолёт окажется на поверхности, Ровер отведёт на 100 м. Потом начинается двухчасовой обратный отсчет. Вертолет ждет радиосигнал от марсохода.

Базовая станци на Ровере отправит сигнал для полёта. Цель первого полёта сделать совместное селфи.

Лучшее время до полёта — 11 часов утра по марсианскому времени. За ночь большая часть заряда батареи уйдёт на обогрев, к 11 батарея восстановится. Плюс Слнце уже встанет, можно сэкономить на разогреве. Вторая половина дня не подходит из-за тепла. После 12 плотность атмосферы палает, поднимается ветер. После первых полетов будет больше данных, для эксперимента мы попробуем взлететь и во второй половине дня. Но безопасное время от 9 утра до 12 дня.

Команда разработчиков следит за испытаниями.

Зачем

В чем цель этой миссии? Марсокоптер демонстрирует технологию, он призван показать, что полёт на другой планете возможен. Он будет снимать цветные фото и видео, но его цель не научные открытия. Он поможет получить технические данные, чтобы понять, как лучше строить летательные аппараты для будущих миссий.

• Первая в России серийная система управления двухтопливным двигателем с функциональным разделением контроллеров
• В современном автомобиле строк кода больше чем…
• Бесплатные онлайн-курсы по Automotive, Aerospace, робототехнике и инженерии (50+)
• McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive