NASA разрабатывает новую миссию SkyFall, которая должна продолжить опыт, полученный во время работы марсианского вертолёта Ingenuity. В рамках миссии на Марс планируется отправить сразу три небольших летательных аппарата. В отличие от Ingenuity, главной задачей которого было доказать принципиальную возможность управляемого полёта в разреженной марсианской атмосфере, SkyFall будет использовать воздушные аппараты прежде всего как полноценные научные платформы.
Каждый вертолёт получит четыре научных прибора. В их число войдут камеры видимого и ближнего инфракрасного диапазонов, георадар для исследования грунта, датчики температуры и прибор для измерения радиации. Благодаря этому аппараты смогут получать данные не только о поверхности Марса, но и о расположенных непосредственно под ней слоях грунта.
Одной из наиболее важных задач станет поиск водяного льда на небольшой глубине. Именно для этого инженерам пришлось разработать необычную антенну георадара, которая внешне напоминает гибкое полотнище.
Почему для поиска льда понадобились вертолёты
Марсианский лёд уже обнаруживали с помощью орбитальных аппаратов. Радарные исследования с орбиты позволяют изучать значительные по толщине отложения под поверхностью планеты. Однако у такого подхода есть важное ограничение: наиболее близкий к поверхности слой марсианского грунта исследовать с орбиты значительно сложнее.
Для будущих исследований особый интерес представляет именно неглубоко залегающий лёд. Он может находиться в первых нескольких метрах под поверхностью и поэтому потенциально представляет интерес для будущих пилотируемых экспедиций.
Вода на Марсе имеет значение не только как объект научного исследования. При наличии подходящих запасов льда она может рассматриваться как потенциальный ресурс для будущих экспедиций: из воды можно получать питьевую воду, кислород и компоненты ракетного топлива. Поэтому важно знать не только то, где на Марсе вообще существует лёд, но и насколько близко к поверхности он находится и какова его протяжённость.
SkyFall должен искать такие отложения непосредственно с воздуха. Вертолёт сможет лететь низко над поверхностью и медленно перемещаться над интересующими районами. Такое положение позволяет георадару работать значительно ближе к грунту и получать информацию о его верхних слоях.
Георадар SkyFall будет заглядывать под поверхность
Широкий диапазон радиочастот
Георадар SkyFall рассчитан на работу в очень широком диапазоне частот — от 500 до 2500 мегагерц. Использование разных частот позволяет одновременно решать две связанные задачи.
Более длинные радиоволны способны проникать глубже в сухой марсианский грунт. Более короткие волны обеспечивают более высокую детализацию верхних слоёв. Таким образом, радар сможет не просто обнаруживать контрастные участки под поверхностью, но и получать информацию о структуре приповерхностного грунта.
Разрабатываемая система рассчитана на исследование глубины менее 5 метров. Для такого применения не требуется крупная антенна, предназначенная для глубокого зондирования. Это позволило инженерам значительно уменьшить её размеры.
Главная проблема — всего 15 сантиметров до грунта
Обычная антенна, способная работать в необходимом диапазоне частот, оказалась бы слишком большой для марсианского вертолёта. Её длина составляла бы около 48 сантиметров, тогда как расстояние от основания корпуса SkyFall до поверхности Марса составляет примерно 15 сантиметров.
Возникло очевидное противоречие. Антенна должна находиться достаточно близко к грунту, чтобы эффективно работать в составе георадара, но одновременно она не должна мешать посадке. Если бы под вертолётом находилась жёсткая конструкция длиной почти полметра, она могла бы столкнуться с поверхностью при приземлении и получить повреждения.
Кроме того, SkyFall рассчитан не на одну демонстрационную посадку. NASA планирует десятки полётов каждого аппарата. Следовательно, антенна должна выдерживать многократные посадки и снова возвращаться в рабочее положение после каждого приземления.
Именно это ограничение стало причиной необычной конструкции.
Инженеры выбрали антенну Вивальди
Конструкция, которую можно сделать гибкой
Для георадара SkyFall была выбрана так называемая антенна Вивальди. Она способна работать в широком непрерывном диапазоне радиочастот и имеет плоскую конструкцию.
Это особенно удобно для SkyFall, поскольку такую антенну можно изготовить из гибкого материала с металлическим покрытием. В результате вместо традиционного жёсткого элемента получается конструкция, которую можно согнуть, не разрушив её.
Название «Вивальди» связано с внешним видом антенны. Её изогнутые линии напомнили создателю конструкции Питеру Гибсону форму скрипки, поэтому она получила имя в честь итальянского композитора Антонио Вивальди.
Однако стандартная антенна Вивальди всё равно оказалась слишком крупной для SkyFall. Поэтому специалисты NASA и Лаборатории реактивного движения JPL дополнительно уменьшили её размеры.
Антенна должна складываться при посадке
Даже после миниатюризации антенна остаётся примерно в полтора раза длиннее ног вертолёта. Поэтому во время посадки она должна отклоняться в сторону, чтобы не оказаться между аппаратом и поверхностью.
Если SkyFall приземлится на камень или другой выступающий элемент рельефа, антенна может согнуться ещё сильнее. После взлёта она должна самостоятельно вернуться в исходную форму, чтобы георадар снова мог нормально работать.
Таким образом, инженерам требовалось решить сразу несколько задач: сделать антенну достаточно маленькой, обеспечить её радиочастотные характеристики, сохранить низкую массу и одновременно добиться высокой механической прочности.
Необычный материал рассчитан на многократные деформации
Полиэстер, Vectran и стекловолокно
Для защиты уменьшенной антенны инженеры использовали несколько материалов. Основу покрыли полиэстером и слоями Vectran — прочного и гибкого материала, который уже применялся NASA в космической технике.
Vectran использовался, в частности, в посадочных воздушных подушках марсоходов Spirit и Opportunity. Эти аппараты прибыли на Марс в 2004 году, а их посадочные системы должны были выдержать контакт с поверхностью планеты.
В конструкции антенны SkyFall также применяются гибкие стекловолоконные ленты, работающие как пружины. Они помогают конструкции сохранять необходимую форму во время полёта. Для крепления используется лёгкая магниевая конструкция.
Вся антенная система весит около 150 граммов. Для космического аппарата это крайне небольшая масса, особенно с учётом того, что конструкция должна выдерживать повторяющиеся механические нагрузки и при этом выполнять полноценную функцию радиолокационного датчика.
Испытания имитировали будущую работу на Марсе
Антенну многократно сгибали
Разработка конструкции на компьютере и проверка отдельных характеристик не гарантируют её работоспособность на другой планете. Поэтому инженерам необходимо было проверить, что антенна сможет пережить условия, с которыми столкнётся во время реальной миссии.
Испытания проводились в Лаборатории экологических испытаний JPL. Конструкцию сначала сгибали, имитируя возможное положение после полёта. Затем её подвергали значительным температурным перепадам, соответствующим условиям марсианского цикла дня и ночи.
Температура на Марсе может меняться на десятки градусов в течение суток, а в рассматриваемых испытаниях моделировались перепады примерно до 94 градусов Цельсия.
После этого антенну многократно сгибали, имитируя десятки посадок. Между этапами испытаний специалисты проверяли её работу в специальной электромагнитной камере.
Это было необходимо для того, чтобы убедиться: механические деформации не привели к ухудшению способности антенны передавать и принимать радиосигналы.
Конструкция выдержала 200 условных посадок
Итог испытаний оказался значительно выше минимального требования. Прототип выдержал 200 имитированных марсианских посадок без потери рабочих характеристик.
Во время радиочастотных испытаний антенну дополнительно располагали в положении, создающем более сильную нагрузку на конструкцию, чем та, которую она испытывала бы из-за марсианской гравитации. При этом специалисты продолжали контролировать работу системы.
Полученный результат означает, что на этапе испытаний конструкция выдержала более чем вдвое больше посадок, чем требуется для успешной основной части миссии.
Однако это ещё не означает, что антенна окончательно готова к полёту. NASA продолжает подготовку инженерной модели. В дальнейшем её ждут дополнительные вибрационные испытания, проверка развёртывания в условиях, имитирующих Марс, радиочастотные тесты и испытания на открытом воздухе в Mars Yard — специальной площадке JPL для моделирования условий работы марсианских аппаратов.
Что SkyFall сможет узнать о Марсе
Исследование верхних метров грунта
Научная ценность новой системы заключается не только в поиске льда как такового. Георадар позволит исследовать структуру грунта в зоне, которая особенно важна для понимания современного Марса и будущего освоения планеты.
Верхние слои марсианской поверхности состоят из реголита — смеси пыли, песка, обломков пород и других материалов. Под ними могут находиться слои с различными физическими свойствами. Радиосигналы георадара способны выявлять границы между такими слоями.
При полёте на небольшой высоте вертолёт сможет получать данные с более подходящей позиции, чем орбитальный аппарат. Низкий и относительно медленный полёт должен дать возможность получать изображения и измерения приповерхностной структуры с необходимой детализацией.
Особенно важным направлением станет выявление мест, где сухой реголит сменяется слоями, содержащими водяной лёд.
Воздушный аппарат даёт другое преимущество
Ingenuity уже показал, что летательный аппарат может использоваться на Марсе не только как экспериментальная машина, но и как дополнительный инструмент для научной работы. За время эксплуатации он совершил 72 полёта почти за три года.
Полученная с воздуха информация помогала команде марсохода Perseverance выбирать маршруты и научно интересные участки поверхности. SkyFall развивает эту идею значительно дальше.
Три вертолёта смогут обследовать территорию с разных направлений и получать данные непосредственно над интересующими участками. При этом им не потребуется перемещаться исключительно по поверхности, как марсоходу.
Для поиска подповерхностного льда это особенно важно: наиболее интересный участок может находиться там, куда наземному аппарату трудно добраться.
SkyFall станет следующим этапом после Ingenuity
Ingenuity создавался прежде всего для проверки возможности полёта на другой планете. Марсианская атмосфера значительно разреженнее земной, поэтому обычные земные представления о работе вертолётов здесь неприменимы без серьёзной адаптации.
После успешных полётов Ingenuity стало ясно, что воздушная разведка может быть полезной частью будущих марсианских миссий. SkyFall создаётся уже с расчётом на более широкие научные задачи.
Новые аппараты получат более развитый набор приборов и смогут исследовать Марс не только с высоты, но и непосредственно под поверхностью. В этом смысле гибкая антенна георадара является одной из ключевых технологий всей концепции.
Её необычный внешний вид связан не с декоративным решением, а с конкретной особенностью марсианских условий. Конструкция должна одновременно находиться достаточно близко к грунту для эффективного радиолокационного зондирования и выдерживать посадки, во время которых она фактически оказывается препятствием между корпусом аппарата и поверхностью.
Когда SkyFall отправится к Марсу
Запуск запланирован на конец 2028 года
По текущему плану NASA, миссию SkyFall планируется запустить в конце 2028 года на борту космического аппарата Space Reactor-1 Freedom.
После перелёта и начального пролёта Марса аппараты должны прибыть к планете в рамках последующего сближения. Посадка ожидается после второго подхода к Марсу осенью 2030 года.
Место посадки пока не определено. NASA планирует оценивать потенциальные районы с привлечением научного сообщества.
Таким образом, испытанная в JPL антенна является пока земным прототипом будущего научного инструмента. Перед ней ещё предстоит пройти дополнительные проверки, после которых инженеры смогут окончательно оценить её готовность к космическому полёту.
Почему небольшая антенна имеет большое значение
SkyFall показывает, насколько сильно особенности другой планеты влияют даже на относительно небольшой элемент космического аппарата. На Земле крупная жёсткая антенна может быть обычным инженерным решением. На Марсе она должна помещаться на вертолёте, который находится всего примерно в 15 сантиметрах над поверхностью и должен многократно садиться на неровный грунт.
Поэтому инженерам пришлось превратить антенну в гибкую конструкцию, способную деформироваться при посадке и восстанавливать рабочую форму после взлёта. При этом она должна сохранять характеристики георадара и выдерживать сильные температурные перепады.
Испытания показали, что прототип способен выдержать 200 условных посадок без ухудшения работы. Следующий этап — доведение конструкции до состояния, при котором она сможет отправиться вместе с тремя SkyFall на Марс.
Если миссия будет реализована по плану, эти аппараты получат возможность исследовать одну из наиболее практически важных областей марсианской поверхности — первые метры грунта. Именно там могут находиться доступные залежи водяного льда, которые трудно изучать с орбиты и которые в будущем могут иметь значение для работы человека на Красной планете.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
