Марсианская «Изобретательность»

Первый внеземной полет аэродинамического летательного аппарата, созданного землянами, должен был состояться в начале апреля. Но тогда американский беспилотный микровертолёт-разведчик, названный «Изобретательность» (Ingenuity) и доставленный на Красную планету в составе ровера «Настойчивость» (Perseverance), не смог подняться в разреженный марсианский воздух из-за досадной ошибки в бортовом софте. Первый взлет, совершённый за десятки миллионов километров от Земли, стал большим достижением, несмотря на то, что его целью было лишь экспериментальное подтверждение возможности аэродинамического полёта в марсианской атмосфере и проверка самого коптера.

⇡#Летать на другой планете

Справедливости ради заметим, что первый перелет рукотворного летательного аппарата из одной точки иного небесного тела в другую состоялся более полувека назад: американский зонд Surveyor 6, опустившийся на поверхность Луны 10 ноября 1967 года, через неделю включил рулевые двигатели и, поднявшись на 4 м, приземлился в 2,5 м от «места старта». Однако аэродинамические силы для перелета применили лишь через 18 лет после этого аэростаты-автоматы: их доставили в атмосферу Венеры посадочные аппараты советских станций «Вега-1» и «Вега-2» в июне 1985 года. За 46 часов первый аэростат пролетел около 11 600 км, второй — около 11 100 км, двигаясь по ветру с умопомрачительной (для воздушного шара) скоростью около 250 км/ч.

Схема развертывания аэростатного зонда со спускаемого аппарата станции «Вега». Из архива НПО Лавочкина

Зачем вообще летать на другой планете, если ее можно изучать, сидя на месте или двигаясь по поверхности? Здесь всё зависит от задачи миссии. Посадочный аппарат исследует иное небесное тело (берёт пробы грунта и местного воздуха) только в точке посадки, планетоход способен расширить зону охвата на десятки (в перспективах — на сотни) километров от точки десантирования. Иногда этого бывает недостаточно, и нужно обследовать такой участок, на который у самохода не хватит ресурса времени…

Глобальный мониторинг либо скрупулёзное исследование более-менее значительной территории, интересной учёным, способна обеспечить только машина с дальностью действия в сотни и тысячи километров. На первый взгляд, такая машина уже есть — это искусственный спутник. Он незаменим для съёмки безатмосферных планет, но изучать воздушную оболочку небесных тел может только бесконтактно — дистанционными методами вроде масс-спектрометрии. Взятие образцов атмосферы или тем более грунта для него в большинстве случаев — неразрешимая задача. Качество съёмки объектов поверхности с орбиты в сотни километров из-за ограничений оптико-электронной аппаратуры получается заведомо хуже, чем с высоты в сотни или тысячи метров.

Вывод напрашивается сам собой: планету надо изучать комплексно — и с поверхности, и с орбиты, и находясь в гуще атмосферы. Для последней задачи и нужен аппарат, способный летать. Выбор его типа зависит от задачи и характера воздушной оболочки небесного тела.

Например, если нас интересуют только параметры и состав атмосферы, пожалуй, лучше всего рассмотреть аэростат или дирижабль. Подбирая состав газа в оболочке и её объём, можно заставить аэростат летать на определённой высоте, а сила Архимеда обеспечит поддержание последней. Разместив воздушные шары на разных высотах, можно получить «профиль» атмосферы, досконально изучив её давление, плотность и химический состав. Понятно, что аэростат будет дрейфовать под действием ветра, но зачастую именно это и требуется. Если же нужен управляемый полёт по сложной заданной траектории, лучше использовать дирижабль.

Аэростатные «острова» и дирижабли в небе Венеры в представлении художника. Графика NASA

⇡#Что годится для Марса

Дирижабль или аэростат прекрасно подходят для планет с мощной газовой оболочкой, таких как Венера. Там у поверхности плотность газа в сто раз выше, чем на Земле, и аэростат можно сделать компактным и легким.

Для Марса это не подходит — там атмосфера в сотню раз разреженнее, чем на Земле, аэростат придётся делать невероятно огромным даже с учетом в 2,5 раза меньшей гравитации и небольшой полезной нагрузки. Здесь подойдут ракеты, самолёты и... вертолёты.

Идея полётов на Марсе на аппаратах тяжелее воздуха не нова. Вспомним «Аэлиту» А. Н. Толстого: в романе, вышедшем в 1923 году, марсиане летают на огромных воздушных галерах, представляющих собой смесь вертолёта с самолётом, да ещё и работающих от электроэнергии. Но ещё раньше, в 1918 году, в датском научно-фантастическом фильме «Небесный корабль» (Himmelskibet) о путешествии на Марс был показан крылатый Excelsior.

Дань крыльям отдал и Вернер фон Браун в своём знаменитом «Марсианском проекте» (Das Marsprojekt), предложив оснащать аэродинамическими плоскостями аппараты для посадки людей на Красную планету. На момент публикации эссе, вышедшего в 1952 году в виде научно-фантастической книги на английском, считалось, что по плотности марсианская атмосфера сопоставима с земной и аэродинамическая посадка (планирование) будет сравнительно простым делом. В реальности всё оказалось не так.

Увы, очень хилая (в сто раз разреженнее земной) атмосфера Марса в сочетании с не очень большой — но всё-таки значительной — гравитацией способна поставить конструктора-аэродинамика в тупик.

Крылатые ракетные корабли фон Брауна для спуска на Марс. Картина Чесли Бонстилла, иллюстрация из журнала Collier’s

Поскольку даже у поверхности планеты плотность воздушной оболочки соответствует земной на высоте более 32 км, закономерен вопрос: как обеспечить необходимую подъемную силу, которая, как известно, прямо пропорциональна плотности воздуха, квадрату скорости и площади несущей поверхности — крыла либо винта-ротора. Для пилотируемых аппаратов массой в центнеры и выше сделать это очень сложно, а для автоматов в десятки (а лучше — в единицы) килограмм — возможно. К тому же их вес на Марсе уменьшится в 2,5 раза, пропорционально снижая потребную величину подъёмной силы и уменьшая (облегчая) конструкцию самого аппарата.

Хуже то, что марсианская атмосфера почти целиком состоит из углекислого газа, окислитель из которого никудышный, в отличие от кислорода. Это значит, что земной двигатель внутреннего сгорания или воздушно-реактивный там работать не будут; ракетный отлично справляется с задачей создания тяги, но время его функционирования напрямую зависит от количества запасённого на борту топлива.

В настоящее время оптимальными вариантами в этих условиях представляются либо электродвигатель, либо поршневой мотор на монотопливе — веществе, для «сгорания» которого окислитель не нужен, таком как гидразин или концентрированная перекись водорода. К сожалению, монотопливо обладает эксплуатационными недостатками (взрывоопасность, токсичность, ограниченный диапазон хранения — от 0 до 100 ℃). Но, как увидим ниже, в некоторых случаях без них не обойтись.

Основатель и генеральный директор компании Rocket Lab Петер Бек (Peter Beck) c жидкостным двигателем Rutherford. Каждый из девяти подобных двигателей, стоящих на первой ступени ракеты-носителя Electron, имеет два насоса, приводимых в действие электродвигателями мощностью по 37 кВт (50 л. с.). Роторы двигателей вращаются с частотой 40 000 оборотов в минуту. Фото Reuters

По мнению ряда экспертов, для легких аппаратов массой до 10 кг идеал — электродвигатель, способный вращать воздушный винт или несущий ротор в разреженной атмосфере без применения посторонних химических веществ. Современные вентильные моторчики отличаются малым весом и удельной мощностью на уровне авиационных поршневых двигателей. Существующие литий-ионные аккумуляторы имеют плотность энергии на уровне 140-190 Вт·ч/кг, а литий-полимерные, которые в последние годы научились делать весьма лёгкими и достаточно компактными, — 190-250 Вт·ч/кг. Графеновые батареи обещают умопомрачительные параметры — до 1000 Вт·ч/кг.

В результате в классе сверхмалых летательных аппаратов по своим массовым и габаритным параметрам электровинтовые двигательные установки сегодня способны конкурировать с поршневыми. Не говоря уже об огромных эксплуатационных преимуществах. При заданных габаритах вентильный электромотор мощностью в 1 кВт будет проще и надёжнее двигателя внутреннего сгорания в 1,5 л. с. Конечно, аккумуляторы необходимой ёмкости обладают вполне весомой массой, их надо подогревать, чтобы они не слишком быстро разряжались на морозе (делать это всё же проще, чем обращаться с гидразином или перекисью), но их можно перезаряжать от солнечных батарей, а вот дополнительное жидкое топливо взять обычно неоткуда, и оно имеет тенденцию заканчиваться.

⇡#Самолёт или вертолёт?

Разобравшись с общими требованиями к марсианскому летательному аппарату (минимальные масса и нагрузка на несущую поверхность) и его двигательной установкой, можно перейти к выбору схемы.

Один из вариантов аппарата для полета в атмосфере Марса — планер Prandtl. Графика NASA

Разрабатывая план углублённых исследований Красной планеты и имея на руках первые достоверные данные о марсианской атмосфере, американцы начали изыскания с аппарата, оснащенного неподвижным крылом. Примерно в одно время с проектом Viking (или чуть позже) Лаборатория реактивного движения JPL (Jet Propulsion Laboratory) обсуждала концепцию складного марсианского самолёта с полезной нагрузкой от 40 до 100 кг, предназначенного для изучения планеты с воздуха, сбора образцов грунта в разных местах, а также десантирования различных научных приборов как при посадке на поверхность, так и методом сбрасывания.

Концептуально проект был близок к высотному дрону MiniSniffer, созданному NASA для стратосферных полётов в земной атмосфере, но по особенностям конструкции напоминал скорее мускулолёты — рекордные сверхлегкие аппараты с велосипедным приводом. При общей массе 300 кг на конструкцию марсолёта приходилось всего 50 кг. Еще 187 кг «съедал» жидкий гидразин для питания поршневого моторчика мощностью 15 л. с., вращающего пропеллер диаметром 4,5 м. Топливо использовалось также в двух ракетных двигателях, с помощью которых аппарат мог выполнять вертикальную посадку и взлет. Оставшаяся масса приходилась на полезную нагрузку и служебные системы.

Поддерживать горизонтальный полет самолёта в разреженной марсианской атмосфере должно было гигантское крыло большого удлинения размахом в 21 м, позволяющее ему летать на высоте от 1 до 7,5 км со скоростью от 216 до 324 км/ч, преодолевая за 7,5 часов расстояние до 3 000 км. Альтернативный вариант самолёта мог оснащаться электродвигателем весом 20 кг с питанием от аккумулятора в 180 кг. Электролёт мог держаться в марсианской атмосфере 31 час, обеспечивая дальность до 10 000 км.

Вариант марсолёта с поршневым гидразиновым двигателем. Источник https://www.wired.com/2012/08/mars-airplane-1978/

Всего в рамках рассмотренной концепции предполагалось отправить на Марс до 12 самолётов, которые могли обследовать большую часть поверхности планеты. Как уже говорилось выше, для решения этой задачи инженерам пришлось бы прыгнуть выше головы.

Во-первых, самолёт таких немалых размеров доставлялся бы на Марс в сложенном виде в оболочке диаметром около 3,5 м вроде посадочного зонда Viking. Понятно, что упаковать между двумя сложенными тарелками крыло, фюзеляж и винт немалых размеров будет непросто.

Во-вторых, самолет предполагалось сбрасывать с околомарсианской орбиты (или с траектории подлета к Красной планете), чтобы, затормозившись в атмосфере и сбросив внешнюю оболочку, он раскрыл парашюты, замедлившие спуск, и, не приземляясь, отправился бы выполнять свои задачи — расправил крылья и перешел в пикирующий полёт для набора скорости — на высоте 5000 м она составила бы примерно 100—150 м/с. Понятно, что сама процедура развёртывания такой большой и достаточно хрупкой конструкции была рискованной.

В-третьих, хотя гидразиновый вариант и рассчитывался на выполнение неоднократных взлётов и посадок, на Марсе не было взлётно-посадочных полос, а старт с неподготовленной (а местами и весьма пересечённой) местности вполне мог закончиться аварией. Вспомним — выдающийся американский изобретатель Томас Эдисон, впервые увидев самолёт братьев Райт, назвал его «неубедительным летательным аппаратом», поскольку тот не мог взлетать вертикально.

Процесс развертывания марсолёта. Рисунок Центра Эймса (NASA)

Сорок с лишним лет назад американские инженеры предлагали сделать аппарат, способный совершать неоднократные взлёты и посадки, собирая образцы марсианской породы. Для этого его предполагалось оснастить ракетными двигателями как у «Викинга». Для посадки марсолет переводился в положение «крыло поперек потока», включал ракеты на брюхе и тормозил, переходя из горизонтального полета в вертикальный спуск, оканчивающийся посадкой. Для взлета операция повторялась в обратном порядке: ракетные двигатели поднимали самолёт на высоту 1000 м, после чего он начинал планировать, набирая скорость для начала горизонтального полёта. Признаем: решение выглядит сложным, громоздким и не слишком надёжным. По-видимому, альтернативой служил электролет, имевший гораздо большую дальность полета, но способный совершить всего лишь одну посадку (падение) без последующего взлета.

Как бы то ни было, американцы продолжали и продолжают изучать концепцию марсолетов. Микроминиатюризация позволяет сейчас сделать его размером со сковородку. Правда, с небольшой продолжительностью полёта. Но и этого достаточно, чтобы заглянуть за соседний холм и разведать обстановку. Поэтому крылатые аппараты продолжают рассматриваться применительно к Марсу.

Вертикально взлетать и садиться может вертолёт — ему взлётно-посадочная полоса не нужна вовсе. Если не ставить задачу подъема на большую высоту и долгого полета, то ему не нужны будут и огромные крылья. Некоторые эксперты считают, что даже при достаточно большой взлётной массе вертолёт, построенный по соосной схеме, будет достаточно компактен. В крайнем случае лопасти несущих винтов можно сложить подобно тому, как это делается на маленьких игрушечных вертолётиках.

Устройство марсианского вертолёта-разведчика. Фото NASA / JPL-Caltech

Недостатками вертолетной схемы являются в разы меньшее, чем у самолета, аэродинамическое качество, напрямую влияющее на дальность полета, и невысокая скорость. Однако последний параметр для марсианских миссий не критичен, а ограничение по дальности в какой-то мере можно снять подзарядкой аккумуляторов — если не гнаться за рекордами в десятки тысяч километров, вертолёт можно чаще приземлять «на отдых и заправку».

Эти соображения и сподвигли разработчиков Mars 2020 Mission сделать ставку на вертолётную схему. Пожалуй, впервые концепция марсианского винтокрылого аппарата рассматривалась в 2002 году — сообщения об этом опубликованы в статье, в которой предлагались автономные роботизированные вертолеты. В статье отмечались преимущества коптера, в том числе его способность преодолевать труднопроходимую местность, посещая несколько районов в одной миссии.

Нечто большее, чем демонстратор

NASA анонсировало отправку беспилотного коптера Mars Helicopter Scout («Марсианский вертолетный разведчик», иногда также обозначается как Mars Helicopter) в мае 2018 года в качестве дополнения к указанной выше миссии Mars 2020. Целью миссии является создание миниатюрного помощника основного ровера для облегчения навигации и заблаговременного обследования районов предстоящей поездки путем съемки с воздуха на цветную видеокамеру высокого разрешения.

Аппарат полностью автономен: управление полетом осуществляет бортовая система с признаками искусственного интеллекта, в которую ровер-ретранслятор по радио загружает ключевые данные о предстоящем полете. Для навигации коптер использует солнечный датчик и инерциальный блок. Кроме того, он оснащен приборами визуальной одометрии, датчиками наклона, высотомером и детектором опасного сближения с препятствиями.

Специалисты NASA осматривают вариант коптера (именно этот аппарат совершил полет на Красной планете), установленный внутри вакуумной камеры в Лаборатории реактивного движения JPL в Пасадене, Калифорния. Фото NASA / JPL-Caltech

Винтокрылый разведчик имеет массу 1800 г, представляет собой куб со стороной в 14 см с четырьмя пружинными посадочными опорами и соосными несущими винтами диаметром 1,1 м. Чтобы подняться в небо, последние вращаются со скоростью до 50 об/сек. Скорость концов лопастей превышает 170 м/сек. Если учесть, что скорость звука в марсианской атмосфере составляет около 240 м/сек, это значит достижение числа Маха М=0,7 — довольно много, но всё ещё позволяет избежать волнового кризиса на лопастях. Винты раскручиваются электродвигателем мощностью 220 Вт (0,3 л. с.), работающим от литий-ионного аккумулятора, который подзаряжается от прямоугольной солнечной батареи, установленной над несущим винтом.

Несмотря на кажущуюся простоту, вертолётик делался довольно долго. Проектирование началось в конце лета 2013 года в JPL. Поскольку процесс разработки увязывался с основной миссией только по срокам (к моменту готовности к полёту ровера вертолет тоже должен быть готов), некоторые эксперты считают, что основной целью «Изобретательности» является сама по себе проверка концепции и возможностей марсианского коптера, в силу чего комплект научных приборов минимален.

Хочется верить, что это не совсем так, хотя по сегодняшним меркам стоимость разработки под ключ оценивалась в мизерные $15 млн. Спустя четыре года после начала проектирования вертолётик испытали в Антарктиде: там морозы сродни марсианским. Денег, однако, дали только в марте 2018 года, правда, уже не $15 млн, а все $23 млн...

Проверка вращения несущих винтов. Фото NASA

Включение марсианского вертолёта в довольно дорогую (ожидаемая стоимость — $2,1 млрд) американскую миссию шло не без споров: у проекта были и противники, и сторонники. В конечном счёте победили энтузиасты и оптимисты. Их общее мнение выразил несколько лет назад бывший администратор NASA Джим Бриденстайн (Jim Bridenstine): «Идея вертолета, летающего в небесах другой планеты, волнует. «Марсианский коптер» имеет большие перспективы для наших будущих исследований в области науки, открытий и разведки на Марсе».

⇡#Что почитать

1. Плотность энергии. Почему аккумуляторы не резиновые?
2. Летающий вездеход: марсианский самолет, разработанный в JPL в 1978 году.
3. Ожидается решение об добавлении вертолета в миссию Mars 2020.
4. NASA согласилось провести демонстрацию вертолета на Марсе в 2020 году.
5. Марсианский вертолет облетит Красную планету в рамках миссии следующего марсохода NASA.
6. Марсианский вертолет отправится на Красную планету в следующей миссии NASA на марсоходе.