Планер для исследования Марса

Концепция, разработанная аэрокосмическими экспертами Университета Аризоны и ученым-планетологом NASA, черпает вдохновение из полета альбатроса, чтобы узнать больше об атмосфере и геологии Красной планеты.

30.06.2022, Эмили Дикман, инженерный колледж университета Аризоны

Докторант аэрокосмической техники Адриен Боускела (слева) и профессор аэрокосмической и машиностроительной промышленности Сергей Шкараев держат экспериментальный планер. Они надеются однажды отправить на Марс модифицированную версию подобного летательного аппарата. Credit: Эмили Дикман, инженерный колледж университета Аризоны.

Восемь активных космических аппаратов, в том числе три управляемых NASA, вращаются вокруг Марса, собирая изображения поверхности планеты с разрешением около 1 фута (0,3 м) на пиксель. Три марсохода пересекают планету, с большей точностью картографируя небольшие участки. Но то, что лежит в сотнях километров между марсоходами и орбитальными аппаратами, включая атмосферные климатические процессы и геологические особенности, такие как вулканы и каньоны, часто представляет наибольший интерес для планетологов.

«У вас есть эта действительно важная, критическая часть в этом планетарном пограничном слое, например, в первых нескольких километрах над землей, - сказал Александр Клинг, научный сотрудник Центра NASA по моделированию климата Марса. - Здесь происходят все обмены между поверхностью и атмосферой. Здесь пыль подхватывается и выбрасывается в атмосферу, здесь смешиваются газовые примеси, здесь происходит зарождение крупномасштабных ветров горно-долинными потоками. И у нас просто не так много данных об этом».

Марсианские планеры будут содержать специально разработанный набор навигационных датчиков, а также камеру, датчики температуры и газа для сбора информации о марсианской атмосфере и ландшафте. Credit: Эмили Дикман, инженерный колледж университета Аризоны.

Клинг сотрудничает с командой инженеров Аризонского университета, которые стремятся восполнить этот пробел в данных, разработав безмоторный планер, который сможет парить над марсианской поверхностью в течение нескольких дней, используя для движения только энергию ветра. Оснащенные датчиками полета, температуры и газа, а также камерами, планеры будут весить всего 11 фунтов (5 кг) каждый. Команда подробно описывает свое предложение в статье, опубликованной в журнале Aerospace.

Полет альбатроса

Полет на Марсе сложен из-за разреженной атмосферы планеты, и это не первая команда, которая пытается решить эту проблему. Наиболее известная разработка NASA - Ingenuity, 4-фунтовый (1,8 кг) вертолет, который начал работать в марсианском кратере Джезеро в 2021 году. С миниатюрной технологией полета и размахом несущих винтов около 4 футов (1,2 м), Ingenuity стал первым устройством, испытавшим управляемый полет на другой планете. Но это транспортное средство на солнечной энергии может лететь всего три минуты и достигать высоты всего 12 метров.

«Все эти технологии были очень ограничены по энергопотреблению, - сказал первый автор статьи, Адриен Боускела , докторант аэрокосмической техники в лаборатории микролетательных аппаратов профессора Сергея Шкараева в Университете Аризоны . – То, что мы предлагаем - это просто использовать энергию на месте. Это своего рода скачок вперед в методах расширения миссий. Потому что главный вопрос: как вы можете летать не используя источник энергии? Как вы можете использовать ветер, который там есть, тепловую динамику, которая там есть, чтобы избежать использования солнечных батарей и аккумуляторов, которые необходимо перезаряжать?»

Легкие, недорогие планеры, использующие ветровую тягу, могут стать ответом. Самолеты с размахом крыльев около 11 футов (3,3 м) будут использовать несколько различных методов полета, в том числе простое статическое парение при наличии достаточного вертикального потока. Но они также могут использовать метод, называемый динамическим парением, подобно альбатросу в долгом путешествии, используя то, что скорость горизонтального ветра часто увеличивается с высотой - явление, особенно распространенное на Марсе.

Команда провела запуск ранней версии планера, где он медленно спускался на Землю, прикрепленный к воздушному шару.

Credit: Эмили Дикман, инженерный колледж университета Аризоны

Динамическое парение выглядит примерно как S-образная схема, которую лыжники используют для управления спуском с горы. Однако каждый раз, когда планер меняет направление, он также начинает менять высоту - и вместо того, чтобы замедлять планер, этот маневр помогает ему набирать скорость. Самолеты летят под небольшим углом вверх навстречу медленному низкому ветру. Когда они достигают более быстрого высотного ветра, они поворачиваются на 180 градусов и позволяют высокоскоростному ветру двигаться вперед под небольшим углом вниз. Когда у них начинает заканчиваться энергия от высокоскоростного ветра, они повторяют процесс, прокладывая себе путь вперед. Благодаря такому ловкому маневрированию планеры могут непрерывно получать энергию из атмосферы, летая часами или даже днями. Это полет, использующий дармовую энергию.

«Это почти то, что вы должны увидеть, чтобы поверить», - сказал соавтор статьи Джекан Танга , адъюнкт-профессор аэрокосмической техники и машиностроения Университета Аризоны.

Нынешние марсоходы в основном сделали снимки плоских песчаных равнин Марса — единственных областей, где марсоходы могут безопасно сесть. Но планеры смогут исследовать новые районы, воспользовавшись тем, как меняются ветры вокруг таких геологических образований, как каньоны и вулканы. «С этой платформой вы могли бы просто летать и получать доступ к этим действительно интересным, действительно крутым местам», — сказал Клинг.

Хорошего понемногу

Команда предлагает отправить планеры на Марс в качестве дополнительной полезной нагрузки для более крупной миссии. Танга изучает, как развернуть планеры с космического корабля в атмосфере. На космическом корабле планеры будут упакованы в CubeSats, миниатюрные космические аппараты размером не больше телефонной книги. После запуска CubeSat будет выпущен планер, который будет либо разворачиваться, как оригами, либо надуваться, как высокотехнологичные поплавки для бассейна и затвердевать при достижении полного размера.

Команда также изучает возможность использования воздушного шара или дирижабля для подъема планера в атмосферу. Это замедлило бы снижение планеров и позволило бы им взлетать, когда условия ветра являются оптимальными или когда они приближаются к зоне повышенного интереса. Планеры могли бы даже повторно пристыковываться к воздушному шару или дирижаблю после полета и продолжать выполнение нескольких миссий.

Полет завершен, миссия продолжается

После посадки на поверхность Марса планеры продолжат передавать информацию об атмосфере обратно на космический корабль, фактически становясь метеостанциями. Метеорологи могут предсказывать погоду на Земле с относительной точностью отчасти потому, что по всей нашей планете есть метеостанции, которые образуют информационную сеть, и все собираемые ими данные постоянно используются в прогностических моделях. Таким образом, каждый марсианский планер, прекративший полеты - независимо от того, завершил ли он свое исследование, как планировалось, или что-то пойдет не так, - сможет стать еще одним важнейшим узлом в этой сети.

«Если у нас закончится возможность продолжать полет или если наши инерциальные датчики внезапно откажут по какой-либо причине, мы рассчитываем продолжать заниматься наукой, - сказал Бускела. - С точки зрения планетарной науки миссия продолжится».

Команда провела обширное математическое моделирование полета планеров на основе климатических данных Марса. И еще предстоит провести дополнительные исследования траекторий полета, потенциальных систем стыковки и многого другого. Но этим летом они будут испытывать экспериментальные аппараты на высоте около 15 000 футов (4,5 км) над уровнем моря, где земная атмосфера разрежена, а условия полета больше похожи на марсианские.

«Мы можем использовать Землю как лабораторию для изучения полетов на Марсе», — сказал Шкараев. В конечном итоге команда надеется, что NASA профинансирует миссию и позволит ей «прокатиться» на крупномасштабной миссии на Марс, которая уже находится в разработке. По словам Клинга, низкозатратный характер усилий по планеру означает, что они могут быть реализованы относительно быстро, возможно, за годы, а не десятилетия, необходимые для полномасштабной миссии.

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti.space)
Оригинал: Engineers design motorless sailplane for Mars exploration