Итак, вы хотите попробовать полетать на вертолете на Марсе. Вы работаете в Лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА в Калифорнии и снова и снова доказываете, что когда дело доходит до посадки и эксплуатации роботизированных зондов и вездеходов на далекой Красной планете, вы в значительной степени знаете, что делаете.
Но когда дело доходит до исследования планет, никогда нельзя быть уверенным.
Несмотря на то, насколько вы умны в проектировании и строительстве космических кораблей, вы понимаете, что вам может потребоваться небольшая дополнительная инженерная помощь, чтобы убедиться, что ваш недавно разработанный вертолет будет летать в инопланетной атмосфере так, как вы этого хотите.
Итак, кому вы собираетесь звонить? Конечно же, новаторы НАСА в области авиации.
«Когда дело дошло до определения того, сработает ли это, команде проекта JPL пришлось изучить динамику ротора, поэтому они обратились к нам за помощью», — сказал Уэйн Джонсон, старший научный сотрудник группы аэромеханики винтокрылых аппаратов Исследовательского центра Эймса НАСА в Калифорнии.
Самолет с вертикальным подъемом, в том числе вертолеты, — это то, что исследователи НАСА изучали с самых первых дней полета, начиная с предшественницы НАСА — Национального консультативного комитета по аэронавтике.
«Проблемы, которые вам нужно решить, чтобы управлять вертолетом, не так уж и различаются, говорите ли вы о Земле или Марсе. Мы смогли помочь им лучше понять их конструкцию и усовершенствовать их методы и инструменты, которые они использовали для его тестирования, «Сказал Джонсон.
Пять лет спустя вертолет Ingenuity надежно прикреплен к марсоходу Perseverance Mars, ожидая попытки запуска со станции ВВС на мысе Канаверал во Флориде не ранее 7:50 утра по восточному поясному времени 30 июля. Окно запуска ракеты Atlas 5 в этот день продлевается до 9 : 50 утра EDT.
«Это так захватывающе для нас. Это действительно так», — сказал Карлос Малпика, аэрокосмический инженер из Эймса, который является экспертом по динамике полета и управлению винтокрылым аппаратом в проекте НАСА «Революционная технология вертикального подъема».
«Когда мы начали работу над проектом, мы начали делать это с большой неуверенностью в том, возможно ли это вообще. Необходимо было преодолеть серьезные технические проблемы», — сказал Малпика.
Среди них было обеспечение того, чтобы аппарат мог взлетать управляемым образом в тонкой марсианской атмосфере, которая эквивалентна высоте около 100000 футов на Земле — высоте, на которой ни один вертолет земного базирования не достигал даже половины этого расстояния.
Другие были связаны с проектированием транспортного средства, чтобы выжить в суровые холодные марсианские ночи, когда температура опускается до минус 130 градусов по Фаренгейту, и работать в основном самостоятельно, поскольку прямое управление пилотом невозможно с учетом расстояния между Марсом и Землей.
«Но по мере того, как мы продвигались вперед, и мы начали понимать, что это реально, это может случиться и что это может сработать. И когда мы дошли до этой точки, это было как вау, это было похоже на один из тех моментов в истории авиации братьев Райт», — Малпика сказал.
В самом деле, если все пойдет хорошо с миссией после целевой посадки на Марс в феврале 2021 года, первый демонстрационный полет технологии Ingenuity будет отражением достижения братьев Райт на Земле в 1903 году, совершив первый полет самолета с двигателем в атмосфере другой планеты.
Правильные инструменты.
Серьезные идеи полета над ржавой поверхностью Марса возникли еще до официального начала космической эры в 1958 году. Большинство концепций касались самолетов с неподвижным крылом, включая планеры с надувными крыльями.
Намного позже один из таких прототипов пролетел над Орегоном в 2001 году, в то время как еще одна идея была исследована над высокогорной пустыней Калифорнии совсем недавно, в 2015 году. Примерно в это же время инженеры JPL завершили разработку изобретений и обратились в NASA Aeronautics за помощью.
С тех пор исследователи в области аэронавтики консультировались по широкому кругу вопросов, но в конечном итоге работа распалась на две широкие области: демонстрация управляемости и улучшение и проверка компьютерных моделей, используемых в тестировании.
Ларри Янг, аэрокосмический инженер, работавший в отделении аэромеханики НАСА Эймса, сыграл ключевую роль в решении обоих вопросов.
«Речь идет не только о том, чтобы выяснить, как управлять Ingenuity, чтобы она была стабильной, когда она парила или летела вперед, но мы также могли выяснить, как продемонстрировать эту способность с помощью испытательного оборудования и кодов компьютерного моделирования, которые мы использовали», — сказал Янг. ,
Основным испытательным комплексом, доступным Ingenuity, была вакуумная камера в Лаборатории реактивного движения, которая могла моделировать фактические температуры и давления на поверхности Марса, но она не была настроена как аэродинамическая труба.
Например, воздушный поток, создаваемый вращающимися роторами, будет рециркулировать вдоль стенок и потолка камеры, а затем течь обратно в роторы и искажать данные испытаний, что лучше контролировать в аэродинамической трубе.
«Вначале у нас было много вопросов об этом и о том, насколько это репрезентативно для реальных условий полета», — сказал Янг.
Благодаря сочетанию компьютерного анализа и собственного опыта тестирования и экспериментов Янг смог придумать лучший способ настройки камеры и провести тестирование интеграции системы, которое продемонстрировало, что вертолет будет работать в соответствии с прогнозом.
«У нас есть большая уверенность в том, что мы сделали работу правильно. Мы проявили должную осмотрительность», — сказал Мальпика. «Конечно, это то, чего никто никогда не пытался, поэтому всегда есть риск, что что-то пойдет не так».
Если все пойдет по плану, после мягкого развертывания из «Настойчивости» «Изобретательность» совершит по крайней мере пять коротких прыжков над марсианской поверхностью, взлетая на высоту около 15 футов.
О дополнительных полетах не может быть и речи — космический корабль НАСА на Марсе, как правило, имеет долгую жизнь — и исследователи в области аэронавтики готовы продолжать помогать советами и инженерными знаниями, хотя они не будут играть активной роли в полетах, когда они происходят.
«Мы будем нервничать и полны предвкушения. И некоторые из нас надеются оказаться в Лаборатории реактивного движения, чтобы поболеть за изобретательность, но мы не являемся частью команды управления полетом. На данный момент мы просто надеемся на безопасный запуск, круиз на Марс и посадка «, — сказал Джонсон.
Но даже если есть проблема, которая мешает реальному полету вертолета на Марс, какой бы ни была причина, Джонсон и его коллеги чувствуют, что уже могут объявить об успехе.
«Какая бы проблема ни могла возникнуть на Марсе, это не изменит того факта, что мы уже доказали в ходе проведенных нами испытаний, что да, вы можете управлять вертолетом на Марсе», — сказал Джонсон.
Взгляд в будущее
При весе менее четырех фунтов с основным корпусом размером с мяч для софтбола нет места для каких-либо научных экспериментов над изобретательностью. Марсианская наука никогда не была целью вертолета.
«Это просто демонстрация технологии, чтобы показать, что полет на Марсе возможен, но в конечном итоге мы хотели бы спроектировать и запустить вертолет на Марсе, который действительно имеет научную миссию», — сказал Джонсон.
Эксперты НАСА в области аэронавтики и космоса уже думают о том, как мог бы выглядеть будущий вертолет на Марс и какие исследования он мог бы проводить, если бы он был загружен научными инструментами.
Это мечта, которую Джонсон, чья долгая карьера в НАСА, работая над вертолетами, достигла «легендарного» статуса, всем сердцем принимает.
«Я занимаюсь этим долгое время. Приятно видеть, как этот проект может вдохновить новых инженеров на интерес к аэронавтике. Многие выпускники, выходящие из школы, когда они думают о НАСА, они смотрят на космическую сторону вещи, — сказал он.
«Что ж, это своего рода космическая штука, но на самом деле это самолет; и это действительно воодушевляет новых инженеров только тем фактом, что мы говорим о Марсе», — сказал Джонсон.
Некоторые из этих будущих аэрокосмических инженеров могут быть среди студентов, приложивших руку к Ingenuity.
«В Ames мы во многом полагались на студентов-практикантов, студентов и аспирантов, которые помогли нам добиться успеха на протяжении пятилетнего цикла разработки Ingenuity — и они заслуживают нашей благодарности», — сказал Янг.
«Надеюсь, именно они продвинут это в будущее».