За месяцы, прошедшие с тех пор, как человечество поднялось над поверхностью другой планеты, мы многое узнали об управлении летальными аппаратами на Марсе. Инженеры подробно изучили сильные и слабые стороны Ingenuity, используя первые и работая над последними, чтобы использовать инопланетный дрон как высокоэффективную разведывательную платформу.

Благодаря полученным знаниям, полеты на Марсе во многих отношениях стали проще, чем это было вначале. Но в одном важном смысле это становится делать все труднее с каждым днем. Причина тому — плотностб атмосферы, которая и так была чрезвычайно низкой, а теперь продолжает падать из-за сезонных колебаний на Марсе.

Когда разрабатывали и тестировали Ingenuity на Земле, ожидалось, что миссия Ingenuity с пятью полетами будет завершена в течение первых нескольких месяцев после приземления Perseverance в феврале 2021 года. Поэтому инженеры подготовились к полетам с плотностью атмосферы от 0,0145 до 0,0185 кг/м3, что эквивалентно 1,2–1,5% плотности атмосферы Земли на уровне моря. Однако, когда Ingenuity работает уже шестой месяц, успел науступить сезон, когда плотность в кратере Езеро падает до еще более низких уровней. В ближайшие месяцы этот показатель составит всего 0,012 кг/м3 (1,0% плотности Земли) в дневные часы, которые предпочтительны для полета.

Разница может показаться небольшой, но она существенно влияет на способность Ingenuity летать. При нижнем расчетном пределе для плотности атмосферы (0,0145 кг/м3 ) у команды управления есть в распоряжении 30% мощности. Запас тяги — это избыточная тяга, которую Ingenuity может производить сверх того, что требуется для поддержки аппарата в воздухе. Эта дополнительная тяга необходима при взлете и подъеме, во время маневров, а также при картографировании местности с переменной высотой. Но если в ближайшие месяцы плотность атмосферы упадет до 0,012 кг/м3 , запас тяги может упасть до 8%, а это значит, что изобретательность будет работать близко к аэродинамическому срыву.

Источник: NASA/JPL-Caltech.
Вертолет NASA Ingenuity Mars Helicopter получил это изображение с помощью своей навигационной камеры во время 13-го полета 5 сентября 2021 года (193-й сол миссии марсохода Perseverance).

К счастью, есть способ решить эту проблему, но он включает в себя вращение роторов с большей скоростью, чем те, что были достигнуты в процессе тестирвоания. Такой подход потребует от всей команды более тщательной подготовки перед каждым полетом, ведь это — очередной шаг в неизвестность.

Лопасти Ingenuity начнут брать разгон еще до отрыва от поверхности Марса, до достижения максимальной скорости вращения ротора 2800 об/мин (увеличение более чем на 10% по сравнению с текущей "рабочей" нагрузкой 2537 об/мин). Если все пойдет согласно плану, то 14- й полет станет коротким тестовым запуском аппарата.

Подобное увеличение скорости связано с рядом потенциальных проблем. Одна из них связана с аэродинамикой: скорость ротора 2800 об/мин в сочетании с ветром и движением аппарата может привести к тому, что концы лопастей ротора столкнутся с воздухом со скоростью почти 0,8 Маха, то есть 80% скорости вращения ротора. Если концы лопастей достаточно приблизятся к скорости звука, они испытают очень большое увеличение аэродинамического сопротивления, которое было бы непозволительно для полета.

Другая потенциальная проблема — неизвестные резонансы в конструкции вертолета. В Ingenuity есть ряд элементов, которые могут приводить к сильным вибрациям при возбуждении на определенных частотах. Важно обеспечить отсутствие значительных резонансов при скорости вращения ротора, используемой для полета, поскольку это может привести к повреждению оборудования и ухудшению показаний датчиков, необходимых для системы управления полетом.

Дополнительные требования также будут предъявляться к нескольким компонентам конструкции Ingenuity: двигатели должны будут вращаться быстрее, электрическая система должна будет обеспечивать большую мощность, а вся система ротора должна будет выдерживать более высокие нагрузки, которые возникают при увеличении скорости вращения ротора. Все это создает значительную проблему, но, подойдя к проблеме медленно и методично, инжинеры надеются полностью проверить систему на более высоких скоростях вращения ротора и позволить Ingenuity продолжать летать в ближайшие месяцы.

 ← Читайте нас в Facebook