Вертолётик, который смог

Первой проблемой при разработке подобного вертолёта стала разреженность марсианской атмосферы. Ее давление у поверхности в 160 раз меньше земного – у нас такое наблюдается примерно на высоте 30 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.

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.

Для создания нужной на такой высоте аэродинамической силы винты должны вращаться в разы быстрее обычного – настолько, что их кончики будут двигаться со сверхзвуковой скоростью.

Быстрое вращение в разреженной атмосфере порождает новые проблемы, включая знаменитый эффект Джанибекова. Чтобы скомпенсировать эту силу, к лопастям Ingenuity пришлось добавить противовесы – полые углеволоконные конусы с вольфрамовыми шариками на конце.

Пару таких винтов инженеры 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.

Кроме того, вертолету предстояло 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.

Каждый винт аппарата 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.

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 – радиационно устойчивый одноплатный компьютер на базе одноименного процессора. Однако для Ingenuity этот вариант оказался слишком громоздким и тяжелым.

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

Энергия для подогрева управляющего блока поступала от солнечной батареи через литий-ионные аккумуляторы. На свету они подзаряжались беспрерывно, и поначалу этого было достаточно. Однако на 427-й сол (марсианские сутки), когда срок работы Ingenuity превысил запланированный, эффективность батарей снизилась настолько, что получаемой энергии уже не хватало для подогрева в течение всей ночи, тем более что на Красной планете наступила зима. Специалистам NASA удалось оперативно «перепрошить» программу контроля температуры, что позволило вертолету проработать еще сотни сол.

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. Во время перелёта он находился под днищем марсохода.

19 апреля 2021 года стал историческим днём для человечества. В 19:34 UTC «Ingenuity» совершил свой первый полет с использованием двигателя, совершённый в другом мире. Он длился 39,1 секунды, и в ходе него вертолёт поднялся на 3 метра, а скорость вращения его лопастей превысила 2500 оборотов в минуту.

Вертолёт взлетел и снова приземлился в точке взлёта, получившей символическое название «Поле братьев Райт». Потом взлетал еще более 70 раз – и это при запланированных пяти.

Первые четыре полета «Ingenuity» осуществлялись по схеме «взлетели-сели» в одной и той же точке. Но уже во время четвёртого полета «Ingenuity» продвинулся по горизонтали на 266 метров вперёд и прилетел обратно.

В пятом полете, который состоялся 7 мая, «Ingenuity» впервые приземлился в точке, отличной от точки взлёта. Этот полет завершил этап демонстрации технологической возможности использования подобных летательных аппаратов в атмосфере Марса.

«Ingenuity» летал всё выше, всё дальше и всё быстрее, но никогда не удалялся дальше километра от марсохода для поддержания с ним постоянной связи, поскольку сам по себе отважный вертолёт не может напрямую связаться с Землей или марсианскими орбитальными аппаратами.

«Ingenuity» перемещался по своей собственной программе, иногда опережая «Perseverance», иногда следуя за ним, и в нескольких случаях продемонстрировал свою крайнюю ценность в качестве отличного наблюдателя, анализируя местность, которую должен был пересечь марсоход.

18 января руководители миссии решили совершить еще один небольшой прыжок длительностью полминуты с набором высоты 12 метров без горизонтального смещения, чтобы проверить состояние систем.

«Ingenuity» поднялся в свой 72-й полет и, достигнув высоты 12 метров, оставался неподвижным в одном и том же положении в течение 4,5 секунды, после чего приступил к снижению со скоростью 3,6 км/ч. К сожалению, на этом этапе навигационная система снова потеряла ориентацию. И, вероятнее всего, выполнила манёвр уклонения, полагая, что она движется горизонтально относительно земли, хотя на самом деле её горизонтальная скорость была равна нулю.

В результате вертолёт накренился, и одна из его лопастей столкнулась с грунтом, что привело к её повреждению.

Что же мы имеем в итоге? Марсианский вертолёт «Ingenuity» совершил 72 полета в небесах Красной планеты, преодолев расстояние 17 километров. В общей сложности он оставался в воздухе более двух часов, а точнее 128,8 минут. Робот достиг максимальной высоты 24 метра и максимальной скорости 36 км/ч.

Выжить так долго на Марсе – это тоже огромный успех.Благодаря успеху «Ingenuity» НАСА решило включить два вертолёта в программу MSR (Mars Sample Return), целью которой будет доставка образцов марсианского грунта на Землю.