NASA готовит новую воздушную технику для исследования Марса. Три небольших вертолёта миссии SkyFall должны будут не просто летать над поверхностью Красной планеты, но и заглядывать под неё. Для этого каждый аппарат получит компактную антенну георадара, которая внешне напоминает небольшой тканевый плащ.
Необычная конструкция нужна по вполне практической причине: радар должен работать практически у самой поверхности, но при этом не мешать вертолёту садиться, взлетать и снова выполнять полёт. Разработчикам пришлось сделать антенну одновременно лёгкой, гибкой, прочной и способной возвращаться в рабочее положение после каждой посадки.
Главная задача SkyFall — обнаружить и нанести на карту залежи водяного льда, находящиеся неглубоко под марсианским грунтом. Такие данные могут иметь значение не только для изучения геологии Марса, но и для будущих пилотируемых экспедиций.
Почему лёд ищут именно с воздуха
Марс давно исследуется орбитальными аппаратами, которые фотографируют поверхность и используют радары для изучения подповерхностных слоёв. Однако у орбитального радиолокационного наблюдения есть важное ограничение: самые верхние слои грунта непосредственно под поверхностью исследовать таким способом трудно.
Именно там, по предположениям учёных, могут находиться неглубокие залежи водяного льда, смешанного с грунтом и камнями.
Для будущих экспедиций такая информация может оказаться особенно ценной. Если лёд расположен достаточно близко к поверхности, его потенциально можно будет использовать как ресурс.
Но сначала необходимо понять, где именно он находится, насколько глубоко залегает и насколько протяжёнными являются ледяные слои.
SkyFall должен подойти к этой задаче с совершенно другой точки зрения: вместо наблюдения сверху с орбиты радар будет перемещаться непосредственно над поверхностью Марса.
Вертолёт должен летать низко и медленно
Для обнаружения тонких слоёв под поверхностью недостаточно просто установить радар на летательный аппарат.
SkyFall должен находиться близко к земле и двигаться сравнительно медленно. Это позволит получать более подробные радиолокационные изображения неглубоких слоёв.
Именно поэтому воздушная платформа здесь имеет преимущество перед орбитальным аппаратом.
Вертолёт может выбрать конкретный участок поверхности, приблизиться к нему и провести детальную съёмку. После этого он способен переместиться на другое место и повторить наблюдения.
Таким образом, аппарат сможет постепенно составлять карту подповерхностных структур.
Радиолокационные данные должны позволить определить границу между сухим грунтом и слоями, содержащими лёд.
Что скрывается под поверхностью Марса
Поверхность Марса выглядит сухой и безжизненной, но это не означает отсутствия воды в планетных недрах.
Вода на Марсе сегодня существует преимущественно в виде льда. Большие залежи водяного льда обнаружены в полярных областях, однако исследователей особенно интересуют месторождения, расположенные на меньшей глубине и в других районах планеты.
Часть льда может быть смешана с грунтом.
Такой лёд не обязательно будет выглядеть как отдельная подземная ледяная плита. Он может находиться в слоях реголита, породах или других подповерхностных структурах.
Именно поэтому обычной фотографии поверхности недостаточно.
Нужно использовать методы, способные обнаруживать различия между слоями грунта на глубине.
Как работает необычная «накидка»
Антенна SkyFall относится к гибким антеннам типа Vivaldi.
Такая конструкция была разработана ещё в 1978 году. В случае марсианских вертолётов её пришлось значительно уменьшить, чтобы она соответствовала размерам аппарата.
Антенна должна работать как часть георадара, отправляя радиосигналы в грунт и принимая отражённые сигналы.
По характеру отражений можно получить сведения о структуре материала под поверхностью.
Это позволяет отличить один слой от другого и определить глубину расположения границ между различными материалами.
Предполагается, что SkyFall сможет исследовать глубину до примерно 5 метров.
Для изучения непосредственно верхних слоёв марсианского грунта это существенная возможность.
Почему антенна должна быть гибкой
На первый взгляд жёсткая антенна могла бы показаться более простой конструкцией.
Однако у SkyFall есть проблема: вертолёт находится очень близко к поверхности даже в неподвижном состоянии.
Высота аппарата над грунтом составляет всего около 15 сантиметров.
При посадке антенна может оказаться ниже корпуса и ног вертолёта. Если аппарат сядет на камень, нагрузка может оказаться ещё выше.
Поэтому антенна должна сгибаться, не ломаясь.
Но на этом требования не заканчиваются.
После посадки вертолёт должен снова взлететь. В этот момент антенна обязана вернуться в исходное положение, чтобы радар мог продолжить работу.
Таким образом, конструкция должна выдерживать многократные циклы сгибания и разгибания.
Антенна длиннее ног вертолёта
Размеры аппарата создают для инженеров необычную проблему.
Даже после миниатюризации антенна остаётся примерно в полтора раза длиннее ног вертолёта.
Это означает, что во время посадки она неизбежно должна сгибаться.
Если вертолёт садится на ровную поверхность, изгиб будет одним. Если под ним окажется камень или другой выступающий объект, антенна может согнуться значительно сильнее.
После взлёта она должна самостоятельно распрямиться.
Причём это должно происходить не один или два раза. SkyFall рассчитан на десятки полётов над Марсом.
Поэтому конструкция должна сохранять форму и рабочие характеристики после большого количества повторяющихся нагрузок.
Из чего сделали «плащ»
Для создания антенны инженеры использовали несколько материалов.
Её покрыли слоями полиэстера и Vectran — прочного и гибкого материала, который уже использовался NASA в космической технике.
Vectran знаком по американским марсоходам Spirit и Opportunity. Этот материал применялся в подушках, которые помогали смягчать посадку аппаратов на поверхность Марса в 2004 году.
В конструкции антенны также используются гибкие элементы из стекловолокна и лёгкая поддерживающая структура.
В результате удалось создать антенну, способную сгибаться при посадке и возвращаться в рабочее положение после взлёта.
При этом её масса составляет всего около 142 граммов.
Для небольшого марсианского вертолёта каждый грамм имеет значение, поэтому минимальный вес оборудования был одним из ключевых требований.
Инженеры проверяли антенну многократными посадками
Перед отправкой оборудования на Марс недостаточно убедиться, что антенна работает в обычных условиях.
Она должна выдерживать среду другой планеты и многократные механические нагрузки.
Поэтому испытания проводились в лаборатории JPL, предназначенной для воспроизведения условий, с которыми космическая техника сталкивается за пределами Земли.
Антенну многократно сгибали и разгибали, имитируя посадки.
Оборудование также подвергали воздействию экстремальных температур.
При этом инженеры постоянно проверяли, продолжает ли радар нормально передавать и принимать сигналы.
Результат оказался положительным.
Антенна выдержала 200 смоделированных марсианских посадок и после испытаний продолжила работать.
Это более чем вдвое превышает количество посадок, которое ожидается от миссии.
Почему 200 посадок — важный результат
Марсианская техника должна работать с большим запасом надёжности.
Если аппарат совершит десятки посадок, каждое приземление будет создавать механическую нагрузку на антенну.
Нельзя рассчитывать на то, что оборудование выдержит только несколько циклов.
Испытание на 200 посадок показывает, что инженеры проверили конструкцию в условиях, значительно более жёстких, чем ожидаемая нагрузка в рамках миссии.
При этом NASA подчёркивает, что антенна пока ещё должна пройти дальнейшую подготовку до полной квалификации для полёта.
То есть успешные испытания являются важным этапом разработки, но не означают, что подготовка оборудования уже полностью завершена.
SkyFall продолжит дело Ingenuity
Марсианские вертолёты SkyFall не появляются из ниоткуда.
Их конструкция во многом основана на опыте NASA с Ingenuity — первым летательным аппаратом, совершившим управляемый полёт на другой планете.
Ingenuity прибыл на Марс вместе с марсоходом Perseverance и первоначально создавался прежде всего для проверки самой возможности полёта в марсианской атмосфере.
Задача была принципиальной: атмосфера Марса намного разреженнее земной, поэтому создание подъёмной силы с помощью винтов значительно сложнее.
Ingenuity успешно доказал, что небольшой аппарат способен летать в таких условиях.
SkyFall должен стать следующим шагом.
Теперь полёт рассматривается не только как технологическая демонстрация, но и как способ проведения научных исследований.
SkyFall будет намного более специализированным аппаратом
Ingenuity весил около 1,8 килограмма на Земле.
Но его главной задачей было показать, что полёты на Марсе вообще возможны.
SkyFall создаётся с гораздо более конкретной научной целью.
Три небольших вертолёта будут оснащены георадаром и должны проводить исследования под поверхностью.
Таким образом, разработчикам пришлось учитывать не только аэродинамику, энергоснабжение и управление полётом, но и размещение научного оборудования.
Особенно сложной задачей стало совмещение достаточно чувствительного радара с очень маленьким летательным аппаратом.
Почему именно вертолёты удобны для поиска льда
Колёсный марсоход способен исследовать поверхность только там, куда он физически может доехать.
У воздушного аппарата возможностей больше.
Вертолёт способен перелетать через препятствия, выбирать отдельные участки поверхности и проводить наблюдения с разных точек.
Для радиолокационного исследования это особенно важно.
Если в одном районе обнаруживается интересная структура, аппарат может продолжить обследование рядом с ней.
Так можно получить не отдельное измерение, а последовательность данных, из которой формируется карта.
Три аппарата дополнительно позволяют распределить исследования по разным участкам.
Лёд может стать важнейшим ресурсом будущих экспедиций
Вода необходима человеку не только для питья.
Из неё потенциально можно получать кислород и компоненты ракетного топлива.
Именно поэтому обнаружение доступного водяного льда считается одним из ключевых направлений подготовки будущих пилотируемых исследований Марса.
Если залежь находится близко к поверхности, её потенциально проще извлекать, чем лёд, расположенный на большой глубине.
Но сначала необходимо узнать, где находятся подходящие месторождения.
Недостаточно просто знать, что вода в виде льда существует на Марсе.
Нужно понимать её распределение.
Георадар SkyFall должен помочь получить именно такую информацию.
Данные важны не только для добычи воды
Карта льда имеет значение и с точки зрения безопасности будущих экспедиций.
Марсианский грунт неоднороден.
Под внешне ровной поверхностью могут находиться слои льда, камня, песка и других материалов.
Знание подповерхностной структуры позволит лучше понимать характеристики местности, которую могут использовать будущие аппараты или экипажи.
Это особенно важно при выборе мест посадки и потенциальных районов для строительства инфраструктуры.
Поэтому радиолокационные исследования могут оказаться полезными ещё до начала непосредственной добычи ресурсов.
Почему орбитального радара недостаточно
Марсианские орбитальные аппараты уже много лет используют радиолокационные методы.
Они позволяют изучать большие площади планеты и обнаруживать крупные структуры под поверхностью.
Однако у такого подхода есть ограничение.
Первые несколько футов материала непосредственно под поверхностью изучать с орбиты сложно.
Именно этот диапазон глубин особенно интересен в случае неглубокого льда.
SkyFall должен работать практически в противоположном режиме: находиться всего в нескольких метрах или десятках метров над поверхностью и вести наблюдения непосредственно во время полёта.
Такое расположение радара позволяет получить более детальную информацию о самых верхних подповерхностных слоях.
На Марсе есть особая проблема с посадкой
Марсианская атмосфера достаточно плотная, чтобы влиять на полёт, но значительно разреженнее земной.
Это одна из причин, по которым Ingenuity стал технологическим достижением.
Для SkyFall добавляется ещё одна проблема: антенна расположена очень близко к поверхности.
На Земле можно было бы спроектировать жёсткую конструкцию и просто разместить её выше или сбоку. На небольшом марсианском вертолёте свободного пространства гораздо меньше.
Поэтому гибкость становится частью самой научной системы.
Антенна должна не только передавать и принимать радиосигналы, но и механически взаимодействовать с условиями посадки.
В конструкции сочетаются наука и механика
Необычный внешний вид SkyFall хорошо показывает, насколько тесно связаны научные и инженерные задачи в космической технике.
Георадар требует определённой формы и размеров антенны.
Но вертолёт требует минимальной массы.
Полёт требует сохранения аэродинамических характеристик.
Посадка требует механической прочности.
Многократные полёты требуют долговечности.
Все эти требования приходится выполнять одновременно.
В результате научный прибор оказывается не отдельным блоком, а частью конструкции самого летательного аппарата.
Почему антенна получила именно такую форму
Vivaldi — это разновидность широкополосной антенны.
Её конструкция позволяет работать с широким диапазоном радиочастот.
Для георадара это важно, поскольку характеристики сигнала влияют на глубину проникновения и детализацию получаемой информации.
При создании SkyFall инженерам пришлось уменьшить такую антенну до размеров, совместимых с миниатюрным вертолётом.
Главная сложность заключалась в том, чтобы уменьшение размеров не лишило систему необходимых рабочих характеристик.
Испытания показали, что разработчикам удалось сохранить работоспособность конструкции.
Что именно сможет увидеть радар
SkyFall не будет получать обычные фотографии подземного пространства.
Радар посылает радиосигналы в грунт и регистрирует их отражение.
Разные материалы по-разному взаимодействуют с радиоволнами.
Границы между слоями могут создавать характерные изменения в отражённом сигнале.
По совокупности таких данных можно восстановить структуру подповерхностного пространства.
Ожидается, что система сможет выявлять слои, где сухой грунт сменяется материалом, содержащим лёд.
Это позволит определить не только факт присутствия льда, но и проследить его распространение по исследуемому району.
Миссия рассчитана на десятки полётов
В отличие от первоначальной демонстрационной задачи Ingenuity, SkyFall создаётся как рабочая научная система.
Предполагается, что вертолёты выполнят десятки полётов.
Это объясняет, почему механическая надёжность антенны имеет такое большое значение.
Каждый полёт включает взлёт, перемещение, наблюдения и посадку.
При этом антенна должна многократно проходить через цикл деформации и восстановления формы.
Испытание на 200 посадок позволяет проверить её долговечность с существенным запасом относительно ожидаемой нагрузки.
Когда SkyFall отправится на Марс
NASA планирует запустить миссию SkyFall в 2028 году.
В качестве носителя рассматривается Space Reactor-1 Freedom — межпланетный аппарат с ядерной энергетической установкой.
На момент публикации материала миссия находится на стадии подготовки, а антенна ещё должна пройти окончательную квалификацию для полёта.
Поэтому запланированный срок запуска следует воспринимать именно как текущий план, а не как уже состоявшееся событие.
Новая ступень после первого марсианского вертолёта
История Ingenuity показала, что воздушное исследование другой планеты возможно.
SkyFall использует этот опыт, но делает следующий шаг: вертолёты должны стать не только средствами передвижения, но и полноценными научными платформами.
Их задача будет связана с тем, что практически невозможно исследовать обычной камерой — с невидимыми слоями под поверхностью Марса.
Особенность миссии заключается в сочетании сразу нескольких технологий: миниатюрного летательного аппарата, гибкой радиолокационной антенны и методов дистанционного зондирования грунта.
Что может дать SkyFall будущим исследователям Марса
Если миссия будет реализована по плану, её данные помогут уточнить распределение неглубокого водяного льда на Марсе.
Это даст больше информации о геологической истории планеты и современных процессах в её грунте.
Одновременно такие карты могут использоваться при планировании будущих экспедиций.
Для человека наличие воды в доступной форме является одним из наиболее важных факторов при выборе района длительного пребывания.
Вода может использоваться непосредственно, а также служить исходным ресурсом для получения кислорода и компонентов топлива.
Поэтому карта подземного льда может оказаться практически столь же важной для будущей марсианской инфраструктуры, как карты рельефа и потенциальных мест посадки.
Маленькие «плащи» решают большую задачу
Необычные антенны SkyFall хорошо иллюстрируют одну из особенностей космической техники: самые заметные детали аппарата иногда существуют по очень практичной причине.
Тканевые конструкции на боках будущих марсианских вертолётов нужны не для защиты от пыли и не для внешнего вида. Это полноценные элементы георадара.
Они должны сгибаться при посадке, возвращаться в рабочее положение после взлёта, выдерживать экстремальные температуры и десятки повторных полётов.
При массе всего около 142 граммов каждая антенна должна выполнять сложную научную задачу — исследовать грунт на глубине до примерно пяти метров.
Испытания уже показали, что конструкция выдерживает 200 имитированных посадок.
Если SkyFall отправится к Марсу в запланированный срок, эти небольшие гибкие антенны станут одним из инструментов, позволяющих изучать Красную планету не только сверху, но и буквально заглядывать под её поверхность.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
