Первый полет на Марсе

Перед вами фотография тени вертолета «Индженьюити», сделанная его навигационной камерой во время его первого полета на Марсе ровно три года назад, 19 апреля 2021 года. В верхней и нижней частях снимка заметны следы марсохода «Персеверанс», который доставил вертолет на испытательную площадку в кратере Езеро. «Индженьюити» стал первым аппаратом, совершившим аэродинамический полет в атмосфере другого небесного тела. Поэтому место, с которого впервые взлетел и куда приземлился «Индженьюити», назвали «аэродром братьев Райт» (Wright Brothers Field), а сам вертолет нес на себе небольшой фрагмент обшивки крыла самолета «Флайер 1», на котором братья Райт совершили свой исторический полет 17 декабря 1903 года.

«Индженьюити» (англ. Ingenuity — «изобретательность») и «Персеверанс» (англ. Perseverance — «настойчивость») отправились на Марс в рамках миссии НАСА «Марс-2020» 30 июля 2020 года. Названия марсохода и вертолета выбрали в ходе конкурса, проводившегося среди американских школьников. В нем приняли участие 28 тысяч человек. Вертолету было присвоено имя, предложенное одиннадцатиклассницей Ванизой Рупани. В своем эссе, присланном на конкурс, она написала: «Изобретательность и талант людей, усердно работающих над преодолением трудностей межпланетных путешествий, позволяют всем нам прикоснуться к чуду освоения космоса. Изобретательность — это то, что позволяет людям совершать удивительные вещи и дает нам возможность расширять свой кругозор до краев Вселенной».

«Индженьюити» оснащен двумя соосными винтами, вращающимися в противоположных направлениях. Гравитация на поверхности Марса составляет примерно 40% от земной, но, поскольку атмосфера планеты крайне разрежена (ее плотность у поверхности примерно в 60 раз меньше, чем на Земле), лопасти пришлось сделать крупнее, а их скорость вращения — выше, чем потребовалось бы, чтобы поднять в воздух аналогичный вертолет в земных условиях. Пришлось максимально облегчить и всё оборудование вертолета, в состав которого входят аккумуляторы, солнечные батареи, антенна с передатчиком и приемником, бортовые компьютеры, система навигации и управления, нагреватели (необходимые, чтобы электроника не переохладилась холодными марсианскими ночами: в месте испытаний температура опускается до –90°C) и две камеры: цветная высокого разрешения для съемок местности и черно-белая навигационная. Конструкторам удалось сделать всё это настолько легким, что полная масса вертолета составила всего 1,8 кг. Ценная реликвия, закрепленная на одной из его солнечных батарей, — небольшой кусочек муслиновой ткани из обшивки крыла «Флайера 1», — не слишком утяжелила вертолет. Оборудование «Индженьюити» важно было сделать не только легким, но и компактным: большой вертолет не поместился бы на марсоходе. Высота «Индженьюити» — полметра, причем размер его корпуса — всего 20×16×14 см. Размах каждой из двух лопастей составляет 1,2 м.

Непростой головоломкой стала задача навигации вертолета. Многие из применяемых на Земле навигационных приборов не годились для использования на Марсе. Так, магнитометры, помогающие определить курс, были бесполезны из-за слабого магнитного поля планеты, напряженность которого примерно в 400 раз меньше, чем земного. А звездные или солнечные датчики (см. Sun sensor), с помощью которых вычисляется ориентация аппарата, оказывались слишком тяжелы для «Индженьюити». Для навигации вертолета использовали крошечные инерциальные сенсоры — акселерометры и датчики угловой скорости (аналогичные тем, что применяются в смартфонах), а также инклинометр, определяющий уклон поверхности «аэродрома», лазерный высотомер, измеряющий расстояние до поверхности, и методы визуальной одометрии. Связь с Землей «Индженьюити» держал через «Персеверанс»: это позволило обойтись небольшой (массой всего 4 г!) и не слишком мощной антенной, потребляющей совсем немного энергии.

«Персеверанс» совершил успешную посадку в кратере Езеро 18 февраля 2021 года (см. новость Марсоход Perseverance расшифровал геологическую историю кратера Езеро, «Элементы», 08.02.2024). «Индженьюити» был закреплен на днище марсохода. Специальный кожух защищал его от камней, которые могли оказаться на месте посадки. Больше месяца ушло на проверку работоспособности систем марсохода и поиск «аэродрома» размером 10×10 м, пригодного для испытаний вертолета: средний уклон поверхности не должен был превышать 4°, не допускалось и присутствие камней размером более 5 см. После того как подходящая площадка была найдена, «Персеверанс» сбросил кожух и отвез туда «Индженьюити». Затем началась выгрузка вертолета. Сначала отстегнулся один из замков, фиксировавших вертолет, и тот коснулся поверхности планеты двумя «ногами» — легкими и прочными опорами, выполненными, как и лопасти вертолета, из углеродного волокна. Затем «Индженьюити» расправил две оставшиеся опоры и окончательно отсоединился от своего носителя. Процесс немного напоминал вылупление кузнечика из яйца, с той разницей, что занял гораздо больше времени — целую неделю.

Еще через неделю, 8 апреля, вертолету впервые «разрешили» немного раскрутить винты — для начала с небольшой частотой, недостаточной для взлета. 16 апреля провели еще одно испытание винтов. Наконец, 19 апреля состоялся исторический полет. Раскрутив лопасти до штатной частоты вращения в 2400 оборотов в минуту (для сравнения: частота вращения лопастей земных вертолетов обычно составляет 200–350 оборотов в минуту), вертолет вертикально взлетел на высоту три метра, провисел практически в одной точке 30 секунд, попутно развернувшись на 90°, и плавно опустился на поверхность Марса.

Следующее испытание, состоявшееся через три дня, было более содержательным. Взлетев, вертолет несколько раз повернулся вокруг вертикальной оси и пролетел по горизонтали примерно два метра, после чего вернулся в исходную точку. Далее состоялись три еще более сложных полета продолжительностью до двух минут. Во время всех этих испытаний «Персеверанс» наблюдал за «Индженьюити» из укрытия, расположенного примерно в 65 м от «аэродрома». Управление вертолетом с Земли в режиме реального времени невозможно: сигнал до Марса идет минимум 3 минуты, а максимум — больше 20. Так что программа каждого полета составлялась заранее. Проанализировав результаты полета, команда сопровождения вертолета готовила план следующего эксперимента.

Изначально предполагалось провести не более пяти полетов. Единственной их целью было проведение испытаний, никаких научных задач перед вертолетом не ставилось. Однако успешное окончание испытательной серии позволило пересмотреть планы, и миссия «Индженьюити» была продлена. Покинув «аэродром братьев Райт», вертолет начал «путешествовать» по Марсу, фотографируя и картографируя местность и этим помогая «Персеверансу».

В общей сложности «Индженьюити» выполнил 72 полета суммарной продолжительностью более двух часов, пролетев за это время 17 км. Вертолет разгонялся до 10 м/с и достигал высоты 24 м, а самый длинный полет он совершил 20 декабря 2023 года, преодолев более 700 метров.

Все полеты были не слишком долгими: самый продолжительный длился менее трех минут. Основная причина этого — нагрев двигателя, температура которого в отсутствие специальных устройств для рассеивания тепла повышалась примерно на 1°C в секунду. Полеты «Индженьюити» заносились в специальный рукописный журнал: под каждый полет отводилась отдельная страница, где фиксировались время взлета и посадки, маршрут вертолета, погодные условия и прочая информация.

18 января 2024 года состоялся 72-й полет «Индженьюити», который вынужденно стал для него последним: во время приземления вертолет потерял одну из лопастей, повредив также другую. 25 января глава НАСА Билл Нельсон официально объявил о завершении миссии «Индженьюити». Место последней посадки вертолета получило название «холмы Валинора» в честь «Бессмертных Земель» из вымышленной Вселенной Дж. Р. Р. Толкина, где обитают бессмертные маги и эльфы.

Однако вертолет продолжает поддерживать связь с марсоходом. И теперь предполагается использовать его как стационарный испытательный стенд и наблюдательную станцию для сбора данных даже после прекращения связи с марсоходом, который удаляется всё дальше, продолжая исследовать западную часть кратера Езеро. «Индженьюити» после обновления программного обеспечения будет ежедневно проверять работу солнечной панели, батарей, электронного оборудования, фотографировать поверхность цветной камерой и собирать данные о температуре. Инженеры полагают, что собранная информация сможет храниться на борту около 20 лет. И даже если солнечные панели перестанут работать, эту информацию смогут добыть будущие миссии. Руководитель проекта «Индженьюити» Тедди Цанетос (Theodore Tzanetos) выступил по этому поводу с трогательной речью: «В любое время, когда Валинорские холмы вновь посетит человечество, с помощью марсохода, нового летательного аппарата либо будущих астронавтов, Ingenuity будет ждать со своим последним подарком — собранными данными».

Общая стоимость программы «Индженьюити» (разработка вертолета, его доставка и эксперименты на Марсе) составила 85 млн долларов. Результаты испытаний помогут планировать будущие марсианские миссии. Вертолеты следующих поколений могут оказаться полезными в фотосъемке местности, геологических исследованиях и перевозке грузов, в том числе в труднодоступных для роверов районах, а также смогут уточнить модели марсианской атмосферы.

Правда, неясно, когда это произойдет. Два года назад компания AeroVironment, где был создан «Индженьюити», представила проект грузового вертолета, который сможет переносить на Марсе грузы массой до 280 г. Есть и другие проекты марсианских вертолетов и даже самолета (см. MAGGIE). НАСА проявляет к ним интерес, однако конкретные программы по отправке таких аппаратов на Марс пока отсутствуют. Зато у НАСА есть планы послать большой винтокрылый аппарат Dragonfly (англ. «стрекоза») ни много ни мало на спутник Сатурна Титан в рамках миссии «Новые рубежи». Пока запуск запланирован на 2028 год. Будем надеяться, опыт «Индженьюити» окажется востребован и при разработке Dragonfly.

Фото с сайта mars.nasa.gov

Алексей Деревянкин