Вертолет, который смог: как устроен беспилотный роботизированный аппарат Ingenuity, покоривший Марс

Первой проблемой стала разреженность марсианской атмосферы. Ее давление у поверхности в 160 раз меньше земного – у нас такое наблюдается примерно на высоте 35 км. Впрочем, для работы винта важно не столько давление, сколько плотность рабочей среды. На Красной планете она составляет около 20 г/м3 – в 61 раз меньше, чем у поверхности Земли (1225 г/м3). Удержаться в такой среде совсем не то же самое, что взлетать в обычном режиме.

Кроме того, вертолету предстоит работать в особых условиях: среднегодовая температура на поверхности Марса составляет около –63 °C. Да, время от времени Солнце прогревает здешний воздух до плюсовых значений, но, чтобы электроника могла переносить ледяные ночи, нужно предусмотреть обогрев. Наконец, нельзя отмахиваться от знаменитых пылевых бурь, которые способны понизить эффективность солнечных батарей или просто забить движущиеся части мелким песком и пылью.

Чтобы получить в разреженном воздухе Красной планеты такую же подъемную силу, как у поверхности Земли, требуется увеличить скорость обтекания лопастей газом в 7,8 раза (квадратный корень из 61) – иными словами, винт должен вращаться во столько же раз быстрее. Впрочем, цифра может уменьшиться, поскольку сопротивление марсианской атмосферы ниже, да и гравитация там на 62% слабее нашей. Плотность марсианской атмосферы у поверхности примерно такая же, какая в 29,4 км над Землей.

Что у нас летает на такой высоте? В 1957 году туда впервые добрался газовый аэростат Manhigh I. В 2014 году Алан Юстас на подобном аппарате сумел подняться гораздо выше, на 41 км, но этот полет трудно назвать полностью управляемым. Еще можно вспомнить реактивные самолеты McDonnell Douglas F-4 Phantom II, которые преодолели нашу условную отметку в 1959 году, а в 1977-м МиГ-25 установил рекорд, который держится до сих пор: почти 37,7 км. В 2001 году на 29 км взлетел и первый винтовой самолет – экспериментальный NASA Helios HP01 от компании AeroVironment, уникальная машина, работающая от собственных солнечных батарей.

Достижение оказалось отнюдь не простым. Для создания нужной на такой высоте аэродинамической силы винты должны вращаться в разы быстрее обычного – настолько, что их кончики будут двигаться со сверхзвуковой скоростью. Как правило, этого стараются избегать, иначе вибрации и резонанс могут разрушить винт. В AeroVironment модифицировали профиль и материал, и полет Helios HP01 подтвердил, что конструкция справляется с возросшей нагрузкой: винт самолета делал 2800 оборотов в минуту, удерживая аппарат на высоте до 29,5 км над уровнем моря. Неудивительно, что конструкторы компании в итоге занялись и марсианским вертолетом.

Однако быстрое вращение в разреженной атмосфере порождает новые проблемы, включая знаменитый эффект Джанибекова, замеченный когда-то космонавтами на станции «Салют». Такой эффект возникает, если объект можно разделить на симметричные части по нескольким разным осям. Кружась вокруг основной оси, тело получает неустойчивый вращательный момент вокруг второстепенной и постоянно пытается развернуться то туда, то обратно. Чтобы скомпенсировать эту силу, к лопастям Ingenuity пришлось добавить противовесы – полые углеволоконные конусы с вольфрамовыми шариками на конце.

Пару таких винтов инженеры AeroVironment соединили соосно, расположив один над другим на вертикальной круглой мачте, которая стала основой, «позвоночником» вертолета. Сверху на мачте смонтирована солнечная батарея эффективной площадью 544 кв. см, позволяющая накапливать около 40 Вт·ч за световой день (хотя впоследствии из-за загрязнения марсианской пылью ее производительность заметно снизилась). Далее расположена колонка из двух винтов, а под ней – кубический фюзеляж с обогреваемым отсеком для авионики и электроники.

Каждый винт приводится в движение собственным электродвигателем «ручного» производства. Тонкая медная проволока прямоугольного (для большей плотности) сечения наматывалась на статор специальными работниками, которые контролировали процесс, следя за укладкой через микроскоп. Это позволило довести КПД двигателей до 80%. Для отвода лишнего тепла между ними и фюзеляжем проложена дополнительная шайба из алюминиево-бериллиевого сплава AlBeMet.

Итак, разработчики создали аппарат, который благодаря быстрому вращению пары прочных, уравновешенных винтов может невысоко взлететь над Марсом и даже готов самостоятельно добывать для себя энергию. Но чтобы полет был успешным, его нужно контролировать. А при сверхскоростном вращении аэродинамические силы слишком малы по сравнению с инерцией самих винтов. Поэтому вся система реагирует на управляющие сигналы совсем по-другому, нежели обычные коптеры на Земле.

Обычно для марсоходов и других межпланетных миссий, которым предстоит работать в условиях повышенной радиации, американские компании выбирают RAD750 – производящийся корпорацией BAE Systems радиационно устойчивый одноплатный компьютер на базе одноименного процессора. Однако для Ingenuity этот вариант оказался слишком громоздким и тяжелым.

В NASA решили рискнуть и использовать вместо одного компьютера блок из пяти почти одинаковых по размеру печатных плат, соединенных в куб с открытой верхней гранью. Их зоны ответственности: управление бортовыми батареями, навигация и сервоприводы, телекоммуникация, энергоснабжение, управление полетом. При этом на платы установлены либо «бытовые» процессоры Snapdragon 801, либо двухъядерные Hercules. В итоге по суммарной вычислительной мощности маленький вертолетик Ingenuity значительно превзошел тяжелые марсоходы Perseverance.

Решение прекрасно показало себя в условиях Красной планеты: система управления нового типа проработала без проблем в течение трех лет. Возможно, это заставит проектировщиков следующего поколения марсоходов пересмотреть свой подход к их электронной начинке.

Ingenuity стартовал к Марсу вместе с марсоходом Perseverance («Настойчивость») в 2020 году. Полет продолжался семь месяцев, посадка состоялась в феврале 2021-го около 50-километрового кратера Езеро (судя по всему, в древности его заполняла вода, поэтому ученые крайне интересуются данным районом). Проехав небольшое расстояние, марсоход выбрал удобное место и выгрузил дрон. Примерно через неделю аппарат впервые поднялся в воздух, а потом взлетал еще более 70 раз – и это при запланированных пяти.

В среднем за каждый рейс Ingenuity преодолевал около 200 м, хотя однажды переместился более чем на 700 м. В сумме пройденное им расстояние превысило 17 км – весьма солидная цифра даже для гораздо более мощных и дорогих колесных роверов. Привыкнув, что удача сопутствует вертолетику, никто не ждал внезапного окончания его миссии. Однако в конце концов винт Ingenuity оказался фатально поврежден, и в апреле 2024 года команда разработчиков и операторов миссии собралась в диспетчерской, чтобы попрощаться с дроном.

Официально программа была завершена несколько месяцев назад, но все это время аппарат продолжал поддерживать связь с марсоходом, служившим ему базовой станцией. Поэтому инженеры в очередной раз обновили ПО вертолета, дав ему последнее задание. Пусть летать он теперь не в состоянии, зато может еще долго собирать информацию с бортовых приборов.

Теперь Ingenuity будет ежедневно – пока хватит сил – «просыпаться», активировать свои системы, проверять работу солнечной панели, заряд батареи и электронное оборудование, выполнять съемку окружения и мониторинг температуры. Марсоход уже не может служить ему ретранслятором, так что все данные будут накапливаться на карте памяти Ingenuity. По расчетам специалистов, ее объема должно хватить лет на двадцать. А там, возможно, ее заберут следующие роботы или – как знать – первые люди на Марсе.