Преди пет години апаратът Ingenuity, създаден от човешка ръка, за пръв път осъществи аеродинамичен полет в атмосферата на друго небесно тяло.

Това беше автоматичният хеликоптер Ingenuity. Техните полети в атмосферата на Марс се превърнаха в истински научен пробив.

Полети на други планети

На 19 април 2021 г., точно преди пет години, автоматичният хеликоптер Ingenuity извърши първия в историята полет на Марс.

Той продължи едва 39 секунди. Апаратът се издигна вертикално на 3 метра, задържа се за кратко и кацна.

Въпреки скромната си продължителност, този полет често е сравняван с първия полет на братя Райт, който е бил с подобна дължина.

За да се разбере значението на Ingenuity за развитието на световната техника, е важно да се знае какво представлява аеродинамичният полет. И защо е толкова важен за нашата цивилизация.

За малко повече от век след първия полет на самолета на братя Райт, авиацията се превърна в основен начин за пътуване на дълги разстояния.

Всичко това е възможно благодарение на подемната сила, която възниква сравнително лесно при всяка повърхност с аеродинамичен профил, движеща се в газова среда.

Достатъчно е да се създаде крило или лопатка с плоска долна и изпъкнала горна повърхност, за да може разликата в налягането между тях да започне да издига апарата във въздуха.

Този ефект може да бъде постигнат както със статично крило, така и с въртяща се лопатка.

Проблемът е, че извън Земята този ефективен метод е почти невъзможен за прилагане.

Повечето други небесни тела или изобщо нямат атмосфера, или тя е изключително разредена. Или пък температурата и налягането в нея нарастват твърде бързо с увеличаване на дълбочината.

Поради тази причина за полети на други планети се предлага използването на реактивни двигатели.

Това обаче е далеч по-неикономично и сложно решение. Затова изследователските апарати продължават предимно да „пълзят“ по повърхността на небесните тела.

За сравнително подходящи за аеродинамичен полет се смятат Марс и спътникът на Сатурн – Титан.

Пътят към марсианския хеликоптер

Проекти за марсиански хеликоптери се разработват със съдействието на НАСА поне от началото на 90-те години на миналия век от компанията AeroVironment.

Тя е един от водещите разработчици на безпилотни летателни апарати. И постоянен доставчик на дронове за американската армия.

Въпреки това, дори за нея задачата да построи хеликоптер за Марс се оказва изключително сложна.

На пръв поглед всичко изглежда сравнително просто. Подемната сила на ротора трябва да бъде с 20–30% по-голяма от силата на тежестта.

На Марс гравитацията е 2,5 пъти по-слаба от земната, което на пръв поглед би трябвало да улесни задачата.

В същото време обаче атмосферата на Червената планета е между 100 и 160 пъти по-рядка от земната.

Това драстично променя много от параметрите в уравнението на Бернули. Това описва подемната сила. Изглежда, че това може да се компенсира с по-дълги лопатки и по-висока скорост на въртене.

Тук обаче възникват нови проблеми.

Когато скоростта на тънка и дълга лопатка се доближи до скоростта на звука в средата, в която се върти, се появяват силни вибрации. Те могат да я изкривят и разрушат.

На Земята този проблем е частично преодолян при експериментални модели.

Но използваните решения не са подходящи за Марс

Ситуацията се усложнява и от факта, че поради ниската плътност на атмосферата скоростта на звука там е около 250 м/с, в сравнение с 340 м/с на Земята.

Това означава, че роторите трябва да се въртят още по-бавно, за да не се разрушат.

Всичко това кара мнозина в НАСА да се съмняват в целесъобразността на създаването на марсиански хеликоптер.

Въпреки това, в началото на 2010 г. AeroVironment все пак разработва концепция за апарат с два ротора, разположени на една ос, но въртящи се в противоположни посоки.

Всеки от тях прави само 2600 оборота в минута. Според изчисленията това е достатъчно, за да издигне апарата над повърхността на Марс в повечето случаи.

Проблемът бил, че той трябвало да бъде доставен на Червената планета заедно с новия марсоход, тогава наричан просто Mars 2020, който вече бил претоварен с оборудване.

Въпреки това, инициативна група създава редица модели и чрез реални изпитания доказва, че автоматичният хеликоптер ще лети.

НАСА отстъпва и скоро става ясно, че първият летящ дрон в космоса, Ingenuity, ще кацне на Марс през февруари 2021 г. заедно с марсохода Perseverance.

По-късно инженерите от мисията споделят, че именно хеликоптерът е трябвало да бъде наречен Perseverance.

Конструкцията на Ingenuity

Името Ingenuity, което означава „изобретателност“, също подхожда изключително добре на този апарат. Защо? Защото конструкцията му е наистина забележителна.

С размери от едва 195x163x136 мм и тегло от 1,8 кг, Ingenuity на пръв поглед прилича на играчка.

Неговият фюзелаж представлява платформа с електрическо оборудване, четири опори и мачта, на която са монтирани два ротора с размах на перките от 1210 мм всеки.

Над роторите е разположен правоъгълен слънчев панел с площ от 544 см², който захранва акумулаторите, а те от своя страна задвижват перките.

Освен една обзорна камера, Ingenuity не носи никакъв друг полезен товар.

Основната му задача беше да докаже, че концепцията за марсиански хеликоптер е осъществима. И малкият апарат се справи блестящо с това предизвикателство.

Навигация в непознат свят

Въпреки че Ingenuity не разполагаше с научно оборудване, той беше снабден с множество сензори, включително акселерометри и датчици за наклон по трите оси.

Те бяха жизненоважни за неговата ориентация в пространството. Над Марс, за разлика от Земята, няма навигационни спътници, които да позволят използването на GPS.

Компасът също е безполезен на Червената планета поради изключително слабото ѝ магнитно поле.

Заради това използвана инерциална навигационна система.

С нейна помощ апаратът сам изчисляваше на какво разстояние и в каква посока се е отклонил от предварително зададена точка, за да определи местоположението си.

Тази система обаче, базирана на акселерометри вместо на традиционни жироскопи, беше твърде неточна.

Затова след всеки полет специалистите от мисията ръчно коригираха позицията на хеликоптера.

Технически ограничения и предизвикателства

Продължителността на полетите на Ingenuity никога не надхвърляше две минути.

Причината за това не беше капацитетът на батерията, а конструкцията на задвижването на роторите.

Поради строгите ограничения в теглото, то не беше оборудвано с радиатори и се нагряваше със скорост от около 1°C в секунда.

Макар специална топлоизолация да предпазваше останалото оборудване, дългите полети бяха невъзможни. На практика мисиите приличаха по-скоро на много продължителни скокове.

Може би най-голямата особеност в конструкцията на марсианския хеликоптер беше невъзможността за директно управление.

Закъснението на сигнала от Земята можеше да достигне 22 минути.

Освен това, поради ограниченията в теглото, апаратът нямаше пълноценна антена и не можеше да се свърже нито със Земята, нито с ретранслатор в орбита около Марс.

Мисията на Марс

Мисията Mars 2020 стартира от Земята на 30 юли 2020 г.

На 18 февруари 2021 г. марсоходът Perseverance кацна успешно в района на кратера Йезеро

След като активира собствените си системи, на 21 март той освободи Ingenuity от защитния му кожух.

Първият полет се състоя на 19 април, след няколко неуспешни опита, причинени от технически проблеми.

Още с първите си няколко полета Ingenuity доказа, че летателни апарати с ротори могат да оперират успешно на Марс, с което основната му задача беше изпълнена.

Първоначалните очаквания на инженерите бяха той да работи едва 30 дни.

За щастие, апаратът успяваше да лети достатъчно често и надалеч, за да не изостава от Perseverance. имаше своя собствена мисия – събиране на проби от древно речно корито.

Ingenuity устоя на смяната на сезоните, на прашните бури и на загубата на връзка по време на съединението на планетите със Слънцето.

Той продължи да функционира до януари 2024 г., като извърши общо 72 полета

По време на последния от тях обаче, при неуспешно кацане, една от перките му беше напълно разбита, а другата – силно повредена. Скоро след това НАСА обяви края на мисията.

Въпреки това мисията се счита за изключително успешна.

Ingenuity не само доказа, че концепцията за хеликоптер на Марс работи, но и многократно надхвърли предвидения си експлоатационен живот.

Успехът на хеликоптера Ingenuity на Марс отваря нова страница в изследването на космоса, като доказва, че полетите в атмосферата на други планети са възможни.

Това вдъхновява учените да планират бъдещи мисии, които ще разчитат на летателни апарати за проучване на далечни светове.

Един от най-очакваните проекти е мисията Dragonfly, чиято цел е Титан – най-големият спътник на Сатурн.

Планира се мултироторният дрон да бъде изстрелян през юли 2028 г. Очаква се да достигне своята дестинация едва през 2036 г.

Възможно е дотогава на Марс вече да оперира друг, по-усъвършенстван хеликоптер.

Въпреки че НАСА е получавала няколко предложения за подобни проекти, космическата агенция засега не планира изпращането на нови марсоходи, а съответно и на нови дронове.

Тези планове обаче могат да се променят в бъдеще.

Аеродинамичният полет е изключително ефективен метод за изследване, от който науката едва ли ще се откаже.

Вероятно в бъдеще подобни технологии ще бъдат приложени не само на Марс, но и на Венера, въпреки екстремните условия на нейната повърхност.