Martian “Ingenuity”

O primeiro voo extraterrestre de uma aeronave aerodinâmica criada por terráqueos foi para acontecer no início de abril. Mas então o reconhecimento de microondas não tripulado americano, chamado “engenhosidade” (engenhosidade), entregue ao planeta vermelho como parte da persistência da persistência, não poderia subir no ar marciano rarefeito devido ao erro irritante no softe. A primeira decolagem, mantida para dezenas de milhões de quilômetros do chão, tornou-se uma grande conquista apesar do fato de que seu objetivo era apenas confirmação experimental da possibilidade de voo aerodinâmico na atmosfera marciana e verificando o próprio Kopter.

⇡#Voar em outro planeta

Por uma questão de justiça, notamos o primeiro vôo de uma aeronave manual de um ponto de outro corpo celestial para outro há mais de meio século atrás: o Sobreador de Sonpa Americano 6, desceu à superfície da lua em 10 de novembro de 1967 , ligou os motores de direção e, subindo 4 m, pousou a 2,5 m do “lugar de partida”. No entanto, as forças aerodinâmicas para o voo foram aplicadas apenas 18 anos depois que o Aerostats Automatá: eles foram levados para a atmosfera de dispositivos de pouso venus de estações soviéticas “Vega-1” e “Vega-2” em junho de 1985. Por 46 horas, o primeiro balão voou cerca de 11.600 km, a segunda é de cerca de 11.100 km, passando pelo vento com um deslumbrante (para um balão) com uma velocidade de cerca de 250 km / h.

O esquema de implantar uma sonda de aerostat do aparelho de descida da estação Vega. Do arquivo de NPO Lavochkina

Por que voar em outro planeta em geral, se você puder estudá-lo, sentado no local ou se movendo ao longo da superfície? Tudo depende do problema da missão. O aparelho de pouso explora um corpo celestial diferente (leva as amostras de ar do solo e local) apenas no ponto de pouso, o navio do planeta é capaz de expandir a área de cobertura de dezenas (em perspectivas – por centenas) quilômetros de ponto de desembarque. Às vezes, isso não é suficiente, e é necessário examinar tal trama que a amostra não tem tempo suficiente …

Monitoramento global ou um estudo escrupuloso de um território mais ou menos significativo, um cientista interessante, é capaz de fornecer apenas um carro com uma gama de centenas e milhares de quilômetros. À primeira vista, esse carro já existe é um satélite artificial. É indispensável para o disparo de planetas não-fechamento, mas estudar a concha de ar de corpos celestes só pode sem contato – métodos remotos, como espectrometria de massa. Tomando as amostras da atmosfera ou, além disso, o solo, para ele na maioria dos casos – uma tarefa não resolvida. A qualidade dos objetos de superfície de disparo da órbita em centenas de quilômetros devido às restrições de equipamentos eletrônicos ópticos é obviamente pior do que de uma altura de centenas ou mil metros.

A saída sugere-se: o planeta deve ser estudado de forma abrangente – e da superfície, e da órbita, e estar no espesso da atmosfera. Para a última tarefa e precisa de um dispositivo capaz de voar. A escolha de seu tipo depende da tarefa e da natureza da bainha aérea do corpo celestial.

Por exemplo, se estamos apenas interessados ​​nos parâmetros e à composição da atmosfera, talvez seja melhor considerar o aerostato ou a dirigível. Selecionando a composição do gás no shell e seu volume, você pode forçar o balão a voar a uma certa altura, e a força dos Arquimedes garantirá a manutenção do segundo. Depois de colocar balões em diferentes alturas, você pode obter um “perfil” da atmosfera, estudando completamente sua pressão, densidade e composição química. É claro que o aerostato irá derivar sob a ação do vento, mas muitas vezes é necessário para isso. Se você precisar de um vôo gerenciado em uma trajetória complexa dada, é melhor usar o dirigível.

Aerostate “ilhas” e dirigíveis no céu de Vênus na representação do artista. Gráficos da NASA.

⇡#O que é adequado para Marte

Aeróstia ou aerostato são perfeitamente adequados para planetas com uma poderosa casca de gás, como Vênus. Lá, a superfície da densidade do gás é cem vezes maior do que na terra, e o balão pode ser compacto e fácil.

Para Marte não é adequado – há cem vezes mais mais quentes do que na terra, o aerostato terá que fazer incrivelmente enorme mesmo levando em conta 2.5 vezes menos gravidade e uma pequena carga útil. Há foguetes, aviões e … helicópteros.

A ideia de vôos em Marte nos dispositivos mais pesada que o ar não é nova. RECALL AELITA A.N. TOLSTOY: No romance, lançado em 1923, os marcianos voam em enormes galleys de ar, que são uma mistura de um helicóptero com um avião e até mesmo operando a eletricidade. Mas mesmo antes, em 1918 no filme de ficção científica dinamarquês “Heavenly Ship” (Himmelskibet) sobre viajar para Marte foi mostrado o Excelsior alado.

Asas dinamarquesas deu e Werner von Brown em seu famoso “Projeto Martiano” (Das Marsprojekt), oferecendo equipamentos aerodinâmicos para plantar as pessoas no planeta vermelho. No momento do ensaio de publicação, publicado em 1952 na forma de um livro de ficção científica em inglês, acreditava-se que a densidade da atmosfera marciana é comparável ao desembarque terrestre e aerodinâmico (planejamento) será relativamente simples. Na realidade, tudo acabou por estar errado.

Alas, muito silencioso (cem vezes levantando a terra terrestre) atmosfera de Marte em combinação com não muito grande – mas ainda significativa – a gravidade é capaz de colocar construção-aerodinâmica em um beco sem saída.

Rocket voado navios marrom fundo para descida a Marte. Pintura de Bonstill do cescy, ilustração da revista de Collier’s

Como mesmo na superfície do planeta, a densidade da concha de ar corresponde à terra a uma altitude de mais de 32 km, a questão é natural: como garantir a força de levantamento necessária, que é conhecida diretamente ao ar Densidade, o quadrado da velocidade e a área da superfície da operadora – a asa ou a área da raiz do rotor. Para aparelhos tripulados, a massa nos centros e acima é muito difícil, e para autômatos em dezenas (e melhores – em unidades) quilogramas – possivelmente. Além disso, seu peso em Marte diminuirá 2,5 vezes, reduzindo proporcionalmente a quantidade necessária de força de levantamento e reduzindo (facilitando) o design do próprio dispositivo.

É pior que a atmosfera marciana quase consiste inteiramente de dióxido de carbono, cujo agente oxidante é Nikudny, em contraste com oxigênio. Isso significa que o motor da terra da combustão interna ou do reativo aéreo não funcionará lá; Foguete lima perfeitamente com a tarefa de criar impulso, mas seu tempo de funcionamento depende diretamente da quantidade de combustível girando a bordo.

Atualmente, as variantes ideais sob estas condições são um motor elétrico ou um motor de pistão em uma substância montopofa -, para “combustão” da qual o oxidante não é necessário, como hidrazina ou peróxido de hidrogênio concentrado. Infelizmente, o monotocolisismo tem desvantagens operacionais (perigo de explosão, toxicidade, faixa de armazenamento limitado – de 0 ℃ a 100). Mas, como veremos abaixo, em alguns casos, não pode fazer sem eles.

Fundador e diretor geral do foguete Lab Peter Beck (Peter Beck) com motor líquido Rutherford. Cada um dos nove tais motores na primeira etapa do foguete transportador de elétrons tem duas bombas, impulsionadas por motores elétricos de 37 kW (50 hp). Os rotores do motor giram com uma frequência de 40.000 revoluções por minuto. Foto Reuters.

De acordo com uma série de especialistas, para dispositivos leves pesando até 10 kg, um ideal é um motor elétrico que pode girar o parafuso de ar ou transportar um rotor em uma atmosfera rarefeita sem o uso de produtos químicos estrangeiros. Os motores de válvulas modernas são distinguidos por baixo peso e potência específica, no nível dos motores de pistão de aviação. As baterias de íon de lítio disponíveis têm uma densidade de energia a 140-190 W x / kg e polimérico de lítio, que aprenderam a fazer nos últimos anos muito leve e bastante compacta – 190-250 W x / kg. Grafen Baterias prometem parâmetros de tirar o fôlego – até 1000 w * h / kg.

Como resultado, na classe de aeronaves ultra-baixas em sua massa e parâmetros gerais, as instalações do motor de galvanoplante hoje são capazes de competir com o pistão. Para não mencionar as enormes vantagens operacionais. Com as dimensões dadas, o motor elétrico da válvula com capacidade de 1 kW será mais fácil e confiável no motor da combustão interna em 1,5 hp Claro, as baterias do recipiente necessário têm uma massa completamente significativa, eles precisam aquecer para que eles não as descarregem muito rapidamente (ainda é mais fácil fazer o que lidar com hidrazina ou peróxido), mas eles podem ser recarregados de Painéis solares, mas combustível líquido adicional não tomam em lugar nenhum, e tende a terminar.

⇡#Avião ou helicóptero?

Tendo entendido com os requisitos gerais para a aeronave marciana (massa mínima e carga na superfície da transportadora) e sua instalação do motor, você pode ir à seleção do circuito.

Uma das opções para a aeronave na atmosfera de Marte – Plainer Prandtl. Gráficos da NASA.

Elaborar o plano de estudos aprofundados do planeta vermelho e ter os primeiros dados confiáveis ​​sobre a atmosfera marciana nas mãos, os americanos começaram a encontrar um aparelho equipado com uma asa fixa. Aproximadamente ao mesmo tempo com o projeto Viking (ou um pouco mais tarde) o laboratório reativo JPL (laboratório de propulsão a jato) discutiu o conceito de uma aeronave marciana dobrável com uma carga útil de 40 a 100 kg, destinada a estudar o planeta do ar, o Coleção de amostras de solo em lugares diferentes, e também aterrissando vários instrumentos científicos, tanto ao aterrissar no método da superfície e do abandono.

O projeto conceitualmente foi próximo ao drone minisniffer de alta tensão criado pela NASA para vôos estratosferéticos na atmosfera da Terra, mas sobre as características da construção se assemelhava mais músculos – recorde de veículos ultra-leves com movimentação de ciclismo. Com um peso total de 300 kg, apenas 50 kg representaram o design do Marcole. Os restantes 187 kg “comiam” hidrazina líquida para alimentar um motor de pistão com capacidade de 15 HP, girando uma hélice com um diâmetro de 4,5 m. O combustível também foi usado em dois motores de foguetes, com os quais o dispositivo poderia realizar um pouso vertical e decolar. A massa restante foi responsável por uma carga útil e sistemas de serviço.

Manter um vôo horizontal da aeronave em uma atmosfera marciana rarefied deve ter uma ala gigante de uma grande extensão de um escopo de 21 m, permitindo que ela voasse a uma altura de 1 a 7,5 km a uma velocidade de 216 a 324 km / H, superando 7,5 horas. Distância a 3 mil km. Uma versão alternativa da aeronave pode ser equipada com um motor elétrico pesando 20 kg com uma bateria em 180 kg. O eletroletter poderia manter a atmosfera marciana por 31 horas, proporcionando uma distância de até 10 mil km.

Uma variante do Marcole com um motor de hidrazina de pistão. Fonte https://www.wired.com/2012/08/mars-airplane-1978/

 

No total, no âmbito do conceito considerado, deveria enviar para 12 aeronaves para Marte, que poderia examinar a maior parte da superfície do planeta. Como mencionado acima, para resolver este problema, os engenheiros teriam que pular acima da cabeça.

Primeiro, a aeronave de tamanhos consideráveis ​​chegou a Marte em forma dobrada na concha com um diâmetro de cerca de 3,5 m, como a sonda de plantio viking. É claro que para embalar entre duas placas dobradas da asa, a fuselagem e o parafuso de tamanhos consideráveis ​​não serão mais fáceis do que empurrar a ginasta no aquário de dois níveis.

Em segundo lugar, o avião deveria ser dispensado da órbita de Oficial (ou da trajetória para o planeta vermelho), de modo que, inibir na atmosfera e soltando a casca exterior, ele revelou os pára-quedistas que desaceleraram e, sem pouso, Ir para cumprir suas tarefas – se as asas começariam, acabaram a ser a uma altitude de 5000 m para o mergulho de 5000 m, seria aproximadamente 100 … 150 m / s. É claro que o procedimento para implantar um design tão grande e bastante frágil era arriscado.

Em terceiro lugar, embora a hidrazina e tenha sido calculada sobre a execução de decolagens e desembarques repetidos, não havia pistas em Marte, e o começo com despreparado – e em lugares muito cruzados – a área poderia terminar completamente o acidente. Recall: Um excelente inventor americano Thomas Edison, que viu pela primeira vez o avião de Wright Brothers, chamou-o de uma “aeronave não convincente” porque ele não podia tirar vertical.

Processo de implantação de Marsole. Figura Eix Center (NASA)

Quarenta anos atrás, os engenheiros americanos se ofereceram para tornar um dispositivo capaz de fazer decolagens e desembarques repetidos, coletando amostras da raça marciana. Para fazer isso, foi assumido para equipar motores de foguetes como “viking”. Para pousar, Marsolet foi transferido para a posição “asa em todo o córrego”, incluía foguetes na barriga e freating, movendo-se de um vôo horizontal para uma final de descida vertical. Para decolagem, a operação foi repetida na ordem inversa: os motores de foguetes levantaram a aeronave a uma altura de 1000 m, após a qual começou a planejar, ganhando velocidade para começar a voo horizontal. Reconhecer: A solução parece difícil, volumosa e não muito confiável. Aparentemente, uma alternativa era um eletriene, que tinha uma faixa de voo muito maior, mas é capaz de fazer apenas um pouso (queda) sem uma decolagem subseqüente.

Seja como possível, os americanos continuaram e continuam a estudar o conceito de Marsolets. Microiniatura permite que você faça do tamanho de uma frigideira. É verdade que com um pequeno voo duradouro. Mas isso é suficiente para olhar para a colina vizinha e explorar a situação. Portanto, os dispositivos alados continuam a ser considerados em relação a Marte.

Pode levar um helicóptero verticalmente e sentar, ele não precisa de uma pista. Se você não definir a tarefa de levantar a uma grande altura e vôo longo, ele não precisa de asas enormes. Alguns especialistas acreditam que, mesmo com um peso suficientemente grande, o helicóptero, construído em um esquema de pinheiro, será bastante compacto. Como último recurso, as lâminas dos parafusos transportadores podem ser dobradas como como é feito em pequenos helicópteros de brinquedos.

Dispositivo do helicóptero de reconhecimento marciano. Foto NASA / JPL-CALTECH

As desvantagens do esquema de helicóptero são um pouco menos do que a da aeronave, a qualidade aerodinâmica, afetando diretamente o leque de vôo e baixa velocidade. No entanto, o último parâmetro para missões marcianas é não crítica, e um limite de distância em certa medida pode ser removido por baterias de recarga – se você não perseguir os registros em dezenas de milhares de quilômetros, o helicóptero pode mais pousar “de férias e reabastecimento “.

Essas considerações e promoções desenvolvedores Mars 2020 missão fazem uma aposta no esquema de helicóptero. Talvez, pela primeira vez, o conceito do aparelho de rolagem marciano foi considerado em 2002 – os relatórios foram publicados no artigo em que helicópteros robóticos autônomos foram oferecidos. O artigo marcou as vantagens do helicóptero, incluindo sua capacidade de superar uma localidade difícil, visitando várias áreas em uma missão.

Algo mais que um demonstrador

A NASA anunciou o envio do helicóptero de helicóptero de helicóptero não tripulado (“inteligência de helicóptero marsiano”, às vezes indicado como Helicóptero de Marte) em maio de 2018 como uma adição à missão de Marte 2020. O objetivo da missão é criar um assistente em miniatura para facilitar a navegação e pesquisa prematura a próxima viagem atirando no ar na filmadora colorida de alta resolução.

O dispositivo será completamente autonomia: o controle de vôo é realizado no sistema lateral com sinais de inteligência artificial, no qual o rádio Radier Radio carrega os dados importantes no vôo próximo. Para navegar no laccão usa um sensor solar e um bloco inercial. Além disso, é equipado com aparelhos de odometria visual, sensores de inclinação, altímetro e detector de uma abordagem perigosa com obstáculos.

Os especialistas da NASA inspecionam a opção de um helicóptero (foi este dispositivo que voou para um planeta vermelho), instalado dentro da câmara de vácuo no laboratório de movimento JPL Jet em Pasaden, Califórnia. Foto NASA / JPL-CALTECH

O escoteiro tem uma massa de 1800 g, é um cubo com um lado de 14 cm com quatro suportes de plantio de primavera e parafusos de portadora coaxial com um diâmetro de 1,1 m. Para subir o céu, o último gira a uma velocidade de até 50 rp / s. A velocidade das extremidades das lâminas excede 170 m / s. Considerando que a velocidade do som na atmosfera marciana é de cerca de 240 m / s, significa que a realização do número de Mach M = 0,7 é bastante, mas ainda evita a crise das ondas nas lâminas.

Os parafusos são desmarcados com um motor elétrico de 220 W (0,3 HP) (0,3 hp), operando a partir de uma bateria de íons de lítio, recarregável de um painel solar retangular instalado acima do parafuso de rolamento.

Apesar da aparente simplicidade, a helicole foi feita por um bom tempo. O design começou no final do verão de 2013 em JPL.

 Como o processo de desenvolvimento estava ligado à missão principal apenas em termos (no momento da prontidão para o vôo da Rover, o helicóptero também deve estar pronto), alguns especialistas acreditam que o objetivo principal da “engenhosidade” é a inspeção do conceito e Oportunidades do helicóptero marciano, que se deve aos dispositivos científicos são mínimos.

Eu gostaria de acreditar que isso não é inteiramente, embora hoje o custo do desenvolvimento “Turnkey” tenha sido estimado em US $ 15 milhões. Quatro anos após o início do design, a helicole foi experiente na Antártida: Há geadas são semelhantes a Martian. O dinheiro, no entanto, foi dado apenas em março de 2018, no entanto, não mais 15, mas todos os US $ 23 milhões …

A inclusão do helicóptero marciano em um bastante caro (custo esperado – 2,1 bilhões $) A missão americana não era sem disputas: o projeto tinha oponentes, e apoiadores, eventualmente derrotavam entusiastas e otimistas. Sua opinião geral expressou há alguns anos a antiga Administrador da NASA Jim Bridenstine: “A ideia de um helicóptero voando no céu Outro planeta está preocupado. Martian Hopter tem grandes perspectivas para nossa pesquisa futura no campo da ciência, descobertas e inteligência em Marte. “

⇡#O que ler

1. Densidade de energia. Por que não baterias de borracha?

2. Voo de todos-terreno voador: avião marciano, projetado em JPL em 1978

3. Espera-se que uma decisão adicione um helicóptero à missão de Marte 2020

4. A NASA concordou em demonstrar um helicóptero em Marte em 2020

5. O helicóptero marciano voará o planeta vermelho como parte da missão da próxima Marquina Nasa

6. O helicóptero marciano irá para o planeta vermelho na próxima missão NASA em Marso