НАСА строит космический планер по образу и подобию альбатроса

Ученые разработали планер, который будет парить над поверхностью Марса, как альбатрос над океаном, в течение нескольких дней. После запуска безмоторный планер можно будет использовать для сбора данных об атмосфере и геологии Красной планеты. Он весит 5 килограммов и имеет размах крыльев в 3,5 метра, что соответствует размаху крыльев альбатроса - самой большой в мире морской птицы.

Планер можно доставить на Марс с помощью миниатюрного спутника, а там он расправит сложенные крылья и отправится в полет, используя для движения только энергию ветра. Его уникальная схема полета позволяет ему использовать ветер для облета геологических образований на планете, таких как каньоны и вулканы.
Прототип планера был создан ученым-планетологом НАСА и аэрокосмическими экспертами из Университета Аризоны. Для тестирования он был поднят в атмосферу Земли на воздушных шарах над пустынным ландшафтом, имитирующим марсианский рельеф. Руководитель проекта доктор Алекс Клинг, научный сотрудник Центра моделирования климата Марса НАСА, сказал: «С этой штукой вы можете просто летать и получать доступ к этим действительно интересным, действительно крутым местам».

В настоящее время вокруг Марса вращаются восемь активных космических аппаратов, которые собирают изображения с его поверхности с разрешением около полуметра на пиксель. Есть также три вездехода, которые бороздят плоскую песчаную поверхность, где они могут безопасно передвигаться, и с большей точностью картографируют небольшие участки. Но то, что находится на расстоянии 300 километров между ними, - включая климатические процессы и огромные геологические объекты, такие как горы, - представляет интерес для ученых и требует дальнейшего изучения.

Вертолет Ingenuity Helicopter НАСА, который был развернут на планете в прошлом году, предназначен для исследования этого пространства, но может летать не более трех минут за раз.
Планер сможет оставаться в воздухе намного дольше и исследовать местность, используя свои датчики полета, температуры и газа, а также камеры.
«В планетарном пограничном слое есть действительно важная, критическая часть, как и в первых нескольких километрах над землей, - говорит доктор Клинг. - Здесь происходят все обменные процессы между поверхностью и атмосферой. Здесь пыль собирается и выбрасывается в атмосферу, где смешиваются следовые газы, где происходит модуляция крупномасштабных ветров горно-долинными потоками. Но у нас очень мало данных об этом».

Команда надеется, что НАСА профинансирует миссию планера на следующем космическом корабле, направляющемся к Марсу. Такие планеры можно перевозить на CubeSats — крошечных спутниках размером не больше телефонной книги, — которые могут быть развернуты на более крупных космических кораблях. После входа в атмосферу Марса планер можно отпустить и либо развернуть, как оригами, либо надуть, как игрушку для бассейна.

Американская команда провела обширное математическое моделирование моделей полета планеров на основе климатических данных Марса. Как пояснили ученые, планер будет использовать несколько различных методов полета, в том числе простое статическое парение, а при наличии достаточного вертикального ветра - «динамическое парение». Последнее альбатрос использует в долгом путешествии. Динамическое парение использует тот факт, что скорость горизонтального ветра часто увеличивается с высотой — это явление, особенно распространенное на Марсе.
Планер будет двигаться по S-образной кривой, подобно тому, как лыжники спускаются с горы, контролируя свою скорость. Но вместо того, чтобы замедлять планер, каждое изменение направления будет помогать ему набирать скорость, поскольку он летит под небольшим углом вверх, двигаясь при медленном низком ветре. Когда он достигает более быстрого высотного ветра, он поворачивается на 180 градусов и позволяет высокоскоростному ветру двигать его вперед под небольшим углом вниз.

Когда у планера начинает заканчиваться энергия, он повторяет процесс, прокладывая свой путь вперед. Эта модель позволит ему летать до нескольких дней за раз, черпая энергию из атмосферы.
Соавтор изобретения, профессор Джекан Танга из университета Аризоны, заявил, комментируя полет планера: «Это нужно увидеть, чтобы поверить».

Ученые также изучают возможность перевозки планеров на воздушном шаре или дирижабле. Это обеспечит медленный спуск и позволит использовать оптимальные ветровые условия, особенно в районах повышенного интереса. Планеры могут даже повторно пристыковаться к воздушному шару или дирижаблю после полета и таким образом отправиться в несколько экспедиций.
После приземления планеры продолжат передавать информацию об атмосфере на космический корабль, по сути став марсианскими метеостанциями. По всей Земле есть метеостанции, которые информируют метеорологов о погоде, и эти данные постоянно поступают в прогнозирующие компьютерные программы. Каждый планер, прекративший полеты — независимо от того, завершил ли он свое исследование, как планировалось, или что-то пошло не так, — может стать узлом в аналогичной сети на Марсе.

Соавтор исследования Адриан Боускела, докторант аэрокосмической инженерии Аризонского университета, рассказал: «Если у планера закончится энергия полета — или если инерциальные датчики внезапно откажут по какой-либо причине — мы рассчитываем, что он продолжит заниматься наукой. С точки зрения изучения планеты миссия продолжается».
Этим летом в рамках испытаний прототипы планеров будут летать на высоте 4500 метров над уровнем моря, где атмосфера тоньше, а условия полета больше похожи на марсианские. «Мы можем использовать Землю в качестве лаборатории для изучения полетов на Марс», - прокомментировал это соавтор исследования, профессор Сергей Шкараев из Аризонской лаборатории микролетательных аппаратов .
Ученым еще предстоит провести дополнительные исследования траекторий полета, потенциальных систем стыковки и многого другого. Однако исследователи надеются, что уже через несколько лет планер-альбатрос будет готов к полету на Марс.