Εφευρετικότητα:Πώς το ελικόπτερο του Άρη θα πετάξει σε άλλο πλανήτη

Είτε διακόπτουν την εναέρια κυκλοφορία, επιστρέφουν ένδοξες όψεις της Γης από ψηλά, είτε απλώς κατασκοπεύουν τους γείτονες (αν αυτό είναι το θέμα σου), τα drones έχουν γίνει ένα οικείο θέαμα στους ουρανούς μας. Τώρα, για πρώτη φορά, η αμερικανική διαστημική υπηρεσία NASA είναι έτοιμη να πετάξει ένα ελικόπτερο που μοιάζει με drone στην ατμόσφαιρα ενός άλλου πλανήτη.

Το σκάφος, με το όνομα Ingenuity, θα φτάσει στον Κόκκινο Πλανήτη με το φορτηγό Perseverance ενός τόνου, την τελευταία αποστολή τροχοφόρων ρομπότ της NASA για να διασχίσει την τραχιά επιφάνεια του πλανήτη. Το Perseverance αναμένεται να εκτοξευθεί από τη Γη αυτό το καλοκαίρι, με το touchdown στον Άρη να έχει προγραμματιστεί για την άνοιξη του 2021.

Το να πετάς στην εξωγήινη ατμόσφαιρα ενός άλλου κόσμου είναι ένα κατόρθωμα που θέτει ένα μοναδικό σύνολο μηχανικών προκλήσεων και όμως, εάν αυτή η μικρή δοκιμαστική αποστολή τεχνολογίας είναι επιτυχής, θα δώσει στους επιστήμονες έναν νέο και εξαιρετικά αποτελεσματικό τρόπο να εξερευνήσουν τους πλανήτες και τα φεγγάρια του Ηλιακό σύστημα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η πτήση είναι ένας πολύ πιο γρήγορος τρόπος για να μετακινηθείτε από το επίγειο.

Διαβάστε περισσότερα σχετικά με τις αποστολές της NASA:

• Η αποστολή Voyager και η ανοιχτή μπλε κουκκίδα μας:Πώς δημιουργήθηκε η πιο διάσημη εικόνα στην επιστήμη
• Κούρσα προς την Αφροδίτη:Τι θα ανακαλύψουμε στο τοξικό δίδυμο της Γης

Τα αεροσκάφη μπορούν να συγκεντρώσουν εναέριες εικόνες που είναι πολύ πιο ευκρινείς από τις εικόνες που επιστρέφονται από διαστημόπλοια. Μπορούν επίσης να χρησιμεύσουν ως ανιχνευτές για τον εντοπισμό πιθανών στόχων για επίγεια οχήματα rover και μπορούν ακόμη και να συλλέξουν δείγματα και να τα φέρουν πίσω σε έναν κεντρικό σταθμό προσγείωσης για ανάλυση.

Και, φυσικά, μπορούν να πάνε εκεί που άλλοι ανιχνευτές απλά δεν μπορούν.

«Μεγαλύτερα στροφεία του Άρη στην κατηγορία 5 κιλών έως 20 κιλών με μικρά ωφέλιμα φορτία επιστήμης θα μπορούσαν να έχουν πρόσβαση σε περιοχές που δεν είναι προσβάσιμες από ρόβερ και να υποστηρίξουν έρευνες ευρείας περιοχής σε συντομότερους χρόνους», λέει ο Δρ Μπομπ Μπάλαραμ, επικεφαλής μηχανικός του Ingenuity, με έδρα το Εργαστήριο Αεριωθούμενης Προώθησης της NASA (JPL ) στην Πασαντίνα της Καλιφόρνια.

"Υπάρχει επίσης μια αποστολή της NASA για να εξερευνήσει το φεγγάρι του Κρόνου Τιτάνα με ένα ιπτάμενο προσεδάφιο που θα φτάσει στις αρχές της δεκαετίας του 2030."

Το σκάφος Ingenuity έχει ύψος 50 εκατοστά με τέσσερις λεπίδες – το ένα ζευγάρι πάνω από το άλλο – τοποθετημένες σε διπλούς, αντίθετα περιστρεφόμενους ρότορες που εκτείνονται σε 1,2 μέτρα ο καθένας.

Το μέγεθος των ρότορων (που πρέπει να είναι τόσο μεγάλο για να πετάει το ελικόπτερο στη λεπτή ατμόσφαιρα του Άρη) είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο απορρίφθηκε ένα πιο οικείο σχέδιο τετρακόπτερου τύπου drone – ένα τέτοιο όχημα θα ήταν απλώς πολύ μεγάλο για να χωρέσει στο rover.

• Γιατί πρέπει να εγγραφείτε στο BBC Science Focus

Η εφευρετικότητα βρίσκεται στοιβαγμένη κάτω από το σώμα του Perseverance, από όπου θα πέσει στην επιφάνεια του Άρη, πιθανώς μερικούς μήνες μετά την αποστολή. Στη συνέχεια, το rover θα απομακρυνθεί 100 μέτρα, για να ελαχιστοποιήσει τον κίνδυνο σύγκρουσης, και τα δύο θα ανταλλάξουν ραδιοφωνικά σήματα για να «ζευγοποιηθούν» – κάτι σαν να αντιστοιχίσετε ασύρματα ακουστικά με το τηλέφωνό σας – προτού το rover στείλει την εντολή στο Ingenuity να πραγματοποιήσει την εναρκτήρια πτήση του .

Αυτό πιθανότατα θα είναι αυτό που ο Balaram αποκαλεί "αμοιβαία selfie" - τα δύο οχήματα φωτογραφίζουν το ένα το άλλο καθώς το ελικόπτερο ανεβαίνει σε χαμηλή αιώρηση και μετά προσγειώνεται ξανά.

Πώς το Ingenuity θα εξερευνήσει τον Άρη

Το Ingenuity διαθέτει μια ασπρόμαυρη κάμερα πλοήγησης και μια έγχρωμη κάμερα 4.208 x 3.120 pixel, συγκρίσιμη με αυτό που μπορεί να βρεθεί σε ένα κινητό τηλέφωνο. Οι εικόνες μεταδίδονται μέσω ραδιοζεύξης μικρής εμβέλειας με το Perseverance, το οποίο στη συνέχεια τις αναμεταδίδει σε ένα από τα πολλά διαστημόπλοια της NASA στην τροχιά του Άρη, από όπου μεταδίδονται πίσω στη Γη.

"Πολλές εικόνες μπορεί να συρραφτούν σε ένα πανόραμα κάποια στιγμή χρησιμοποιώντας εργαλεία λογισμικού εδάφους", λέει ο Balaram.

Ωστόσο, το ελικόπτερο δεν πρόκειται να κάνει πραγματικές επιστημονικές παρατηρήσεις. Αντίθετα, το επίκεντρο είναι να επιστραφούν δεδομένα μηχανικής από τις δοκιμαστικές πτήσεις που, ελπίζεται, θα επικυρώσουν την τεχνολογία ή τουλάχιστον θα παρέχουν πολύτιμη ανατροφοδότηση για τη βελτίωση των μελλοντικών σχεδίων.

Το κύριο σχέδιο αποστολής είναι για έως και πέντε πτήσεις σε περίοδο 30 ημερών, αν και αυτό μπορεί να παραταθεί. Η μέγιστη οριζόντια εμβέλεια των πτήσεων θα είναι περίπου 300 μέτρα, με ύψος οροφής 10 μέτρα και μέγιστο χρόνο πτήσης 90 δευτερόλεπτα, μετά την οποία χρειάζονται επαναφόρτιση οι έξι μπαταρίες ιόντων λιθίου του ελικοπτέρου.

Αυτό το χειρίζεται ένα ηλιακό πάνελ τοποθετημένο ακριβώς πάνω από τα πτερύγια του ρότορα. Μια πλήρης φόρτιση χρειάζεται μια ολόκληρη Αρειανή ημέρα για να ολοκληρωθεί και τα δύο τρίτα της αποθηκευμένης ισχύος απαιτούνται για να διατηρηθούν ζεστά τα ηλεκτρονικά του αεροσκάφους κατά τη διάρκεια της τσουχτερής κρύας Αρειανής νύχτας, όταν οι θερμοκρασίες μπορεί να πέσει στους -100°C.

Προδιαγραφές

• ΜΑΖΑ :1,8 kg
• ΥΨΟΣ :50cm
• ROTOR SPAN :1,2 m
• ΤΑΧΥΤΗΤΑ ROTOR :2.300-2.900 rpm
• ΜΕΓΙΣΤΟ ΥΨΟΜΕΤΡΟ :10m
• ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ :6x Sony Li-ion, που παρέχει ισχύ 220 W
• MAX FIGHT TIME :δεκαετία του 90
• ΕΜΒΕΛΕΙΑ ΑΝΑ ΠΤΗΣΗ :300μ
• ΜΕΓΙΣΤΕΣ ΠΤΗΣΕΙΣ ΤΗΝ ΗΜΕΡΑ :1
• ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΑΠΟΣΤΟΛΗΣ :30 ημέρες

Η χαμηλή θερμοκρασία είναι μόνο η αρχή των προβλημάτων που αντιμετωπίζει ένας επίδοξος Αρειανός αεροπόρος. Τα αεροσκάφη απογειώνονται χρησιμοποιώντας «ανύψωση», μια ανοδική δύναμη που δημιουργείται καθώς ο αέρας περνά πάνω από ένα κυρτό αεροτομό. Σε ένα αεροπλάνο, η αεροτομή είναι το φτερό. σε ένα ελικόπτερο, είναι τα πτερύγια του ρότορα.

Αλλά η επιφανειακή πυκνότητα της ατμόσφαιρας του Άρη είναι μόλις 1 τοις εκατό της πυκνότητας της Γης. Ένα κυβικό μέτρο αέρα στο επίπεδο της θάλασσας στη Γη ζυγίζει 1,2 κιλά, αλλά στον Άρη αυτό το ποσοστό πέφτει σε λίγα μόνο γραμμάρια - περίπου ισοδύναμο με την αδύναμη ατμόσφαιρα στη Γη σε υψόμετρο 30.000 μέτρων. Και για να δημιουργήσετε αρκετή ανύψωση για να πετάξετε από τόσο λεπτό αέρα σημαίνει ότι ο κινητήρας πρέπει να λειτουργεί υπερωρίες.

Ενώ τα ελικόπτερα στη Γη συνήθως περιστρέφουν τις λεπίδες τους με 500 στροφές ανά λεπτό (σ.α.λ.), στον Άρη πρέπει να το στροβιλίσετε μέχρι τις 2.500 σ.α.λ. περίπου.

Διαβάστε περισσότερα για τον Άρη:

• Άγριες ιδέες στην επιστήμη:Έχουμε ήδη βρει ζωή στον Άρη
• InSight:τι θα μπορούσε να βρει η αποστολή της NASA στον Άρη μέσα στον Κόκκινο Πλανήτη

Για τον ίδιο λόγο, το βάρος του σκάφους διατηρείται στο απόλυτο ελάχιστο. Για παράδειγμα, κάθε ζεύγος πτερυγίων ρότορα ζυγίζει μόλις 56 γραμμάρια – παρόλο που το μήκος του ξεπερνά το ένα μέτρο.

«Χρησιμοποιήθηκαν στρώσεις από σύνθετο άνθρακα εντός μιας μήτρας πυρήνα αφρού για την επίτευξη ελαφριών αλλά άκαμπτων λεπίδων», λέει ο Balaram. Συνολικά, το Ingenuity ζυγίζει μόλις 1,8 κιλά, λιγότερο από μερικά σακουλάκια ζάχαρη.

Ο Balaram έχει ακόμη και την καλύτερη ώρα της ημέρας για να πετάξει το ελικόπτερο στον Άρη – τα μέσα του πρωινού, όπως αποδεικνύεται, περίπου στις 11:00. Μέχρι εκείνη τη στιγμή, το σκάφος έχει θερμανθεί από τον Ήλιο μετά την ψυχρή Αρειανή νύχτα, αλλά ο αέρας είναι δροσερός, διατηρώντας την πυκνότητά του όσο το δυνατόν υψηλότερη και τις ταχύτητες του ανέμου χαμηλές, ενώ οι μπαταρίες έχουν ακόμα μια υγιή φόρτιση.

«Αφού κάνουμε τις πρώτες δύο πτήσεις κάτω από τη ζώνη μας, είμαι σίγουρος ότι θα προσπαθήσουμε να πετάξουμε το απόγευμα και θα κάνουμε περισσότερα διερευνητικά πράγματα, αλλά το πιο συντηρητικό πράγμα που μπορούμε να κάνουμε είναι να επιλέξουμε μια πτήση το μεσημέρι». λέει.

Δοκιμαστική εφευρετικότητα

Η ομάδα δοκίμασε το σχέδιό της μέσα στον Θάλαμο Προσομοίωσης Διαστήματος του JPL, ένα κυλινδρικό δοκιμαστικό σκάφος ύψους 25 μέτρων και πλάτους οκτώ μέτρων στο οποίο η ατμόσφαιρα μπορούσε να ρυθμιστεί με ακρίβεια για να αναπαράγει τις αεροδυναμικές συνθήκες στον Άρη.

Ωστόσο, η χαμηλή πίεση ήταν μόνο μια από τις ιδιαιτερότητες της πτήσης στον Άρη που έπρεπε να μοντελοποιηθεί. Χρειαζόταν ακόμα να λογοδοτήσουν για τη βαρύτητα του πλανήτη, η οποία είναι μόνο 0,38 (λίγο περισσότερο από το ένα τρίτο) αυτής που βρέθηκε στη Γη. Βρήκαν μια νέα λύση.

"Μια συσκευή εκφόρτωσης βαρύτητας εγκαταστάθηκε στον θάλαμο και χρησιμοποιήθηκε για να παρέχει μια αντισταθμιστική δύναμη στο όχημα για να ληφθεί υπόψη η διαφορά βαρύτητας μεταξύ Γης και Άρη", λέει ο Balaram.

Αυτό σημαίνει κυριολεκτικά ότι συνδέουν ένα ελαφρύ νήμα στην κορυφή του οχήματος, το οποίο τραβούσαν τόσο σφιχτά για να σηκώσουν το 0,62 του βάρους του ελικοπτέρου στη Γη – αφήνοντας το υπόλοιπο 0,38 (το βάρος του στον Άρη) να ανυψωθεί αεροδυναμικά από τους ρότορες.

Εκτός από την επίδειξη της βασικής σκοπιμότητας της πτήσης στον Άρη, αυτές οι δοκιμές εδάφους ήταν κρίσιμες για έναν άλλο λόγο – επιτρέποντας στην ομάδα να ρυθμίσει με ακρίβεια το λογισμικό Καθοδήγησης, Πλοήγησης και Ελέγχου (GNC) που θα πρέπει στην πραγματικότητα να πιλοτάρει το ελικόπτερο στον Άρη.

Όταν ξεκινήσουν οι πρώτες πραγματικές πτήσεις του Άρη, ο χρόνος ταξιδιού με το φως από τη Γη στον Άρη θα είναι πολλά λεπτά, καθιστώντας αδύνατο για τους ελεγκτές να κατευθύνουν το σκάφος από απόσταση.

Αντίθετα, οι εντολές από τον έλεγχο εδάφους στη Γη αποτελούνται από ένα σύνολο σημείων διαδρομής - συντεταγμένες που επιλέγονται από τους ελεγκτές - τα οποία θα ακολουθήσει το λογισμικό GNC λαμβάνοντας υπόψη τη ροή δεδομένων σε πραγματικό χρόνο που πλημμυρίζουν από τους αισθητήρες του ελικοπτέρου. Αυτά περιλαμβάνουν γυροσκόπια, επιταχυνσιόμετρα, κάμερα πλοήγησης, υψόμετρο και κλίσιόμετρο που μετρά την κλίση του αεροσκάφους.

Διαβάστε περισσότερα σχετικά με την εξερεύνηση του διαστήματος:

• Μετακινηθείτε, Άρη:γιατί πρέπει να κοιτάξουμε πιο μακριά για μελλοντικές ανθρώπινες αποικίες
• Ταξίδι γρηγορότερο από το φως:Είναι πραγματικά εφικτή η οδήγηση με warp;

"Τα σημεία διαδρομής αποτελούνται από μια θέση x-y, ένα ύψος πάνω από το έδαφος, μια κατεύθυνση οχήματος και μια επιθυμητή ώρα άφιξης σε κάθε σημείο", λέει ο Balaram. Για να δοκιμάσει το λογισμικό, η ομάδα του δημιούργησε ακόμη και πολλαπλούς λαμπτήρες υψηλής ενέργειας μέσα στον προσομοιωτή για να αναδημιουργήσει τον φωτισμό του ηλιακού φωτός στην επιφάνεια του Άρη, καθώς και ανεμιστήρες για να προσομοιώσουν την πτήση σε συνθήκες ανέμου.

Επιπλέον, το Ingenuity πρέπει επίσης να είναι ένα διαστημικό σκάφος, πιστοποιημένο για να επιβιώνει από τις πιέσεις της εκτόξευσης, το επτάμηνο ταξίδι στον Άρη κατά το οποίο θα υποβληθεί σε ακτινοβολία και το σκληρό κενό του διαπλανητικού διαστήματος, και στη συνέχεια να καταστρέψει το υψηλές δυνάμεις g και καυτή θερμότητα 2.200°C εισόδου, καθόδου και προσγείωσης στην ατμόσφαιρα του Άρη.

Αλλά εάν λειτουργήσει και οι δοκιμές του ελικοπτέρου στον Άρη είναι επιτυχείς, τότε θα είναι ένα πραγματικά ιστορικό επίτευγμα – η πρώτη πτήση με κινητήρα πέρα ​​από τη Γη. Και η τεχνογνωσία που αποκτήθηκε θα θέσει τις βάσεις για να πετάξουν μεγαλύτερα και καλύτερα αεροσκάφη, ικανά να μεταφέρουν ένα πλήρες φορτίο επιστημονικών οργάνων για να εξερευνήσουν τους ουρανούς μακρινών κόσμων.

Όπως το θέτει ο Balaram:"Είναι μια στιγμή των αδελφών Ράιτ σε έναν άλλο πλανήτη."

• Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο τεύχος 350 του BBC Science Focus