Семь минут ужаса, версия 2021

Главную космическую новость февраля, а может быть даже, и 2021 года в целом, вы уже и без меня знаете. 18 февраля 2021 года в 20:55 UTC ровер Perseverance совершил мягкую посадку в марсианском кратере Езеро (Jezero).
На первый взгляд новая марсианская миссия NASA выглядит как ремейк миссии Curiosity 2012 года. Та же технология посадки ровера с помощью “летающего крана”, те же семь минут ужаса, разве что начинка ровера поменялась – все же за девять лет появились новые идеи. Но в общем и роверы внешне похожи – с ходу не отличишь. И если в 2012 году новая схема посадки выглядела чертовски рискованной, то сейчас вроде бы накосячить в уже проверенном на практике решении можно разве что по разгильдяйству. Ан нет, даже посадка Perseverance – не просто закрепление успеха девятилетней давности, а шаг на новый уровень.
Так что я хочу немного рассказать о новых технологиях, которые были использованы при посадке ровера.
Но для начала такой вопрос: а почему вообще NASA использует рискованную посадку роверов с подлета, а не сводит их с с орбиты, как это планирует сделать Китай со своим марсоходом? Посадка с подлета происходит в более тяжелых условиях – спускаемый аппарат входит в атмосферу с более высокой скоростью по гиперболической траектории. Посадка в заданный район с подлета также требует точной навигации и оставляет минимальный резерв времени для устранения ошибок и неисправностей.
Ответ простой. При посадке с подлета не нужно тратить топливо для вывода полезной нагрузки на марсианскую орбиту и для ее свода с орбиты. А это значит, что можно закинуть большую массу полезной нагрузки на поверхность Марса. Если нужен аппарат на орбите – его лучше запустить к Марсу отдельно.
Если вспомнить историю изучения Марса космическими аппаратами, то почти все планетные зонды садили на Марс с подлета. Единственное примечательное исключение – планетные зонды Viking 1 и Viking 2, их садили с орбиты. Но это было вынужденное решение. В 1976 году детальных карт намеченных районов посадки попросту не было, требовалась доразведка с орбиты, чтобы максимально безопасно посадить тяжелые дорогие аппараты. Сейчас благодаря многолетней работе орбитеров MRO и Mars Express карты поверхности Марса по детализации как минимум не хуже карт пустынных районов поверхности Земли, что дало возможность планировать десантные операции на принципиально новом уровне.

То, что роверы Curiosity и Perseverance так похожи, не удивительно – они сделаны на общей платформе. Perseverance несет больше научного оборудования, включая новую систему сбора и хранения образцов грунта (эти тщательно отобранные образцы, будем надеяться, будут доставлены на Землю, если будет успешно реализован международный проект Mars Sample Return Mission). С учетом большей массы научного оборудования и опыта работы Curiosity новый ровер имеет более прочные колеса с развитыми грунтозацепами. В результате ровер стал массивней. Масса Perseverance 1025 кг, масса Curiosity 899 кг. Так что на данный момент Perseverance – самый тяжелый земной аппарат, который когда-либо садили на Марс. Для сравнения, сухая масса спускаемого аппарата АМС Viking 572 кг.
Более тяжелый ровер потребовал и нового парашюта увеличенной площади. Парашют увеличили даже с запасом: диаметр парашюта MSL (аппарата, который доставил Curiosity на поверхность Марса) 16 м, диаметр парашюта Mars 2020 (АМС – носитель Perseverance) 21.5 м. Рекордный параметр, между причим: это самый большой парашют, когда-либо использованный за пределами Земли.
В остальном сценарии посадки и технические решения, использованные в миссиях MSL и Mars 2020, очень похожи. Отличия в новых умных алгоритмах, которые обеспечили более точную и безопасную посадку.

Марс примерно вдвое меньше Земли. Экваториальный радиус Марса 3397 км. Соответственно гравитация Марса тоже значительно меньше земной. Вторая космическая скорость для Марса 5027 м/с, а ускорение силы тяжести на поверхности 0.38 g. В этом плане мягкая посадка на Марс даже проще, чем управляемый сход с околоземной орбиты, не говоря уже о возвращении на Землю со второй космической скоростью – спускаемый аппарат не испытывает такие экстремальные тепловые нагрузки. Основная проблема в том, что атмосфера Марса слишком разрежена для мягкой посадки с использованием парашютной системы. Атмосферное давление на уровне поверхности Марса в среднем примерно 6…6.5 мбар, это примерно высота 37 км над уровнем моря для Земли. Поэтому во всех без исключения планетных миссиях использовали комбинированную схему посадки: аэродинамическое торможение, спуск на парашюте, отделение парашюта и финальное гашение скорости.
Классическая схема мягкой посадки на реактивной тяге – это АМС Viking. Парашют диаметром 16 м раскрывался на высоте 6 км, когда скорость спускаемого аппарата снижалась до 250 м/с. Через 45 секунд скорость аппарата снижалась до 60 м/с. После сброса теплозащитного экрана спускаемый аппарат отделялся от защитного кожуха на высоте 1.5 км и еще через 40 секунд совершал мягкую посадку на реактивной тяге.
Примерно по такой же схеме, с использованием реактивной тяги после спуска на парашюте, садили зонды Phoenix в 2008 году (масса аппарата 350 кг) и InSight в 2018 году (масса аппарата 358 кг).
При посадке зонда Pathfinder с мини-ровером Sojourner в 1997 году в дополнение к реактивному торможению инженеры JPL применили надувные амортизаторы. Спускаемый аппарат не отделялся от защитного кожуха с парашютом, а вывешивался на 20-метровой стропе. Амортизаторы надувались на высоте 355 м. В точно рассчитанный по показаниям радарного альтиметра момент включались три тормозных твердотопливных двигателя, стропа обрезалась и защищенный амортизаторами спускаемый аппарат падал на грунт с высоты 15...25 м. Тормозные двигатели, продолжая работать после сброса аппарата, уводили парашют и защитный кожух в на безопасное расстояние. Эта же схема, доработанная с учетом возросшей массы полезной нагрузки, была успешно использована в миссии MER при посадке роверов-близнецов Spirit и Opportunity в 2004 году. Сухая масса Pathfinder 264 кг, масса ровера Sojourner 10.6 кг. Для сравнения, в миссии MER полная сухая масса ровера вместе с посадочной платформой 533 кг (185 кг ровер и 348 кг посадочная платформа с надувными амортизаторами). Площадь парашюта увеличили, амортизаторы усилили. Доработанная система реактивного торможения обеспечивала сброс аппарата в момент “полный стоп” с высоты 10...15 м.
Для тяжелых роверов третьего поколения схема посадки с надувными амортизаторами оказалась непригодной, так как посадочная платформа имела бы недопустимо большую массу. Инженеры JPL вернулись к отработанной схеме мягкой посадки на реактивной тяге, но от классической компоновки посадочной платформы отказались. Посадочная платформа вроде той, что использовали в свое время советские инженеры для доставки на Луну луноходов – это раскладные посадочные опоры и аппарели для сьезда ровера на грунт. Это дополнительная масса и дополнительные точки отказа. Посадочную ступень освободили от всего ненужнего, оставив лишь силовую раму с двигателями, топливными баками и минимумом арматуры – получился Sky Crane.
Ну а теперь мы почти подошли к тем самым семи минутам ужаса. Это хороший повод поговорить о технологическом прогрессе, который сделал посадки на Марс не просто точнее и безопаснее, а вывел их на качественно новый уровень.

В 1976 году, когда АМС Viking 1 и Viking 2 совершили исторические посадки на Марс, не только поверхность Марса была terra incognita. Физика атмосферы Марса была известна лишь в самых общих чертах. Плотность атмосферы Марса изменяется по сезонам по мере вымораживания углекислого газа в полярных шапках и его испарения. Практически ничего не было известно о преобладающей картине ветров в нижних слоях марсианской атмосферы. Примитивные по нынешним временам радарные альтиметры Викингов давали лишь высоту над поверхностью. Аппараты не имели возможности самостоятельно определить свое положение и откорректировать траекторию снижения. По сути дела, аппараты совершали неуправляемое баллистическое торможение и парашютный спуск вслепую, в пределах огромного эллипса ошибок размером 280х100 км. Неудивительно, что для посадки Викингов были выбраны протяженные равнины, малоинтересные в геологическом плане.
Вслепую, по баллистической траектории, совершали посадку и следующие зонды, но каждая успешная посадка давала новую информацию о марсианской атмосфере и позволяла сузить эллипс ошибок. 1997 год, Pathfinder – эллипс ошибок 200х70 км. 2004 год, Spirit и Opportunity – эллипс ошибок сжался до 150х20 км. 2008 год, Phoenix – расчетный эллипс ошибок сократился до 100х20 км (фактически аппарат сел почти на краю эллипса ошибок из-за задержки открытия парашюта).
И вот 2012 год, Curiosity. Эллипс ошибок всего 20х7 км. А фактически аппарат сел почти идеально, с отклонением всего два километра от центра эллипса ошибок.
Что произошло?
При посадке Curiosity NASA впервые использовали технологию управляемого спуска.

Если не найдете старую анимацию посадки Curiosity, ничего страшного. Свежий ролик с анимацией посадки Perseverance тоже сойдет.
За 10 минут до входа в атмосферу Марса спускаемый аппарат с ровером внутри отделяется от межпланетного блока (cruise stage) Во время полета к Марсу АМС была стабилизирована вращением так, что солнечные батареи на заднем торце межпланетного блока были ориентированы на Солнце. После отделения межпланетного блока спускаемый аппарат с помощью реактивных двигателей системы ориентации останавливает вращение и принимает исходную ориентацию для входа в атмосферу Марса. При этом спускаемый аппарат отстреливает два балансировочных груза – теперь он имеет смещенный центр масс и входит в атмосферу с заданным углом атаки.
Дальше начинаются те самые семь минут ужаса. Через 80 секунд после входа в атмосферу теплозащитный экран аппарата разогревается до пиковой температуры 1300 °C, а еще десять секунд спустя проходит пиковые перегрузки. После прохождения пика перегрузок начинается собственно управляемый спуск: реактивные двигатели ориентируют аппарат по тангажу и по крену, отклоняя вектор подъемной силы в нужном направлении и компенсируя увод аппарата с расчетной траектории снижения. Похожая технология уже давно используется при управляемом спуске пилотируемых космических кораблей, но теперь электроника марсианских аппаратов тоже это умеет.
Примерно через 240 секунд после входа в атмосферу скорость аппарата снижается до 420 м/с, высота полета 9...13 км. Аппарат – все еще на сверхзвуковой скорости – отстреливает остальные балансировочные грузы, чтобы вернуть центр масс в нейтральное положение, и выпускает парашют. И вот здесь как раз первое важное новшество в миссии Perseverance. Во всех предыдущих миссиях парашют открывался по достижению минимально безопасной скорости. Perseverance использует алгоритм Range Trigger – бортовой компьютер оценивает расстояние до точки посадки по показаниям инерциальной системы навигации и открывает парашют в точно рассчитанный момент, чтобы свести перелет/недолет к минимуму. Эллипс ошибок сжимается до размеров 7.7х6.6 км. Но и это не всё.
Через 20 секунд после открытия парашюта скорость аппарата падает до 160 м/с, он успел снизиться до высоты 7...11 км. В этот момент отстреливается теплозащитный экран и начинает работать радарный альтиметр. Камера системы Terrain Relative Navigation сравнивает картинку местности с загруженной в память картой, аппарат определяет свое точное положение на местности и строит решение на долет до ближайшей безопасной площадки посадки. Алгоритм TRN также определяет направление сноса ветром, сравнивая последовательные картинки, и строит маневр безопасного увода из-под купола парашюта после его отстрела.
350 секунд, высота 2.1 км. Скорость снижения аппарата на парашюте 90 м/с. Sky Crane с ровером отделяется от кожуха спускаемого аппарата, уходит в сторону от парашюта и начинает снижение в сторону выбранной для посадки площадки.
На высоте около 20 метров скорость снижения 0.75 м/с. Sky Crane опускает ровер на трех стропах длиной 6.4 м. Ровер приводит колеса в посадочное положение.
410 секунд. Ровер на грунте. Получив сигнал о том, что колеса нагружены, ровер освобождается от строп. Sky Crane улетает на безопасное расстояние и разбивается.
Ровер начинает работу на поверхности Марса.

Новая схема посадки открыла фантастические возможности.
При посадке вслепую эллипс ошибок должен быть свободен от любых опасных участков – скал, оврагов, крутых склонов, песчаных дюн, скоплений крупных камней. Проблема в том, что в геологически интересных местах эти особенности рельефа как раз обильно представлены. И очень непросто найти безопасный район посадки, из которого ровер сможет добраться до интересных особенностей рельефа за преемлемое время.
При посадке с привязкой к рельефу и активным маневром условие безопасной посадки на всей площади эллипса не обязательно. Достаточно иметь несколько безопасных площадок в пределах долета из любой точки эллипса ошибок.
На Марсе, конечно, есть места, где колесный ровер не сможет передвигаться даже после мягкой посадки. Но теперь у ученых появилась возможность исследовать места, до которых раньше не было возможности безопасно добраться.
И вот об одном из таких мест – кратере Езеро – я попытаюсь рассказать в следующий раз.

Инфографика

1. Семь минут ужаса в графическом представлении.
2. Наглядное отображение прогресса в точности посадки марсианских аппаратов. Эллипсы ошибок наложены на кратер Гэйл с горой Шарп, в который посадили Curiosity в августе 2012 года.
3. Кратер Гэйл – вид с орбиты. Фотография дает возможность представить себе сложность посадки в этом районе. Расчетный эллипс ошибок Curiosity на момент перед посадкой. Curiosity посадили на безопасном участке плоского дна кратера, но максимально близко к склонам горы Шарп.
4. А это район посадки Perseverance в кратере Езеро. Ровер сел возле конуса выноса осадков древней речной дельты. Оцените возможности нового алгоритма посадки. Еще недавно такая посадка с опасными участками в пределах эллипса ошибок была неприемлемым риском.

Credit: NASA/JPL

Какого все же цвета марсианское небо?

Это вторая версия сообщения. Первая вышла излишне агрессивной и правильно, что ее удалили. Здесь, на форуме, я все же готовлю материалы для людей, которых я уважаю, так что не стоит опускаться до уровня дискуссии, который стал нормой в онлайн-тусовках.
Так что попробую еще раз, спокойно и по делу. Обычно у меня это получается.

Начал было готовить материал по кратеру Езеро, но тут NASA выгрузили великолепную цветную панораму, смонтированную из снимков, сделанных камерами Mastcam (это те, которые на мачте ровера). Снимок тяжелый – разрешение 36952х11570. Там есть куча деталей, которые можно долго и вкусно обсуждать, но я хочу все же поговорить о цвете марсианского неба.
На первых цветных снимках, которые Perseverance прислал с Марса, небо голубое, почти как на Земле. А на панораме – желто-розовое. Казалось бы, бюджетные смартфоны и цифромыльницы уже давно умеют делать снимки с нормальной цветопередачей. А тут камеры, специально разработанные для сьемки в марсианских условиях. Почему марсианское небо выглядит так по разному?
Дело в том, что по большей части на смартфоны и цифромыльницы снимают стандартные сюжеты в стандартных условиях освещения – солнечное небо, облачная погода, закат, сьемка при искусственном свете. Как правило, источники света имеют непрерывный спектр, который характеризуется цветовой температурой. Белый лист бумаги, снятый в прямом солнечном дневном свете, при тех же установках камеры будет голубоватым под облачным небом, оранжево-желтым на закате и оранжево-красным при свете лампы накаливания. Но глаз-то адаптируется к условиям освещения и видит белый цвет!
Для стандартных условий освещения производители камер разработали стандартные пресеты цветокоррекции. Цветовой баланс фотографии выставляется автоматически прямо во время сьемки. И по большей части эти пресеты дают вполне приличный результат – цвета на фотографии выглядят натуральными, примерно так, как мы их привыкли видеть глазом.
А что делать, если нужна фотография максимального качества, а условия сьемки нестандартные?
Фотографы-профи неспроста снимают в формате RAW. Это сырой формат без всякой автоматической обработки, максимально приближенный к тому, что видит матрица камеры. Цветовой баланс выводится уже при обработке фотографии.
Открою секрет. Среди всякой всячины, которую фотограф-профи использует для сьемок, есть карточка нейтрально-серого цвета. Ну или за неимением таковой хотя бы лист обычной канцелярской белой бумаги формата A4. В сложных условиях освещения делается контрольный снимок этой карточки и по ней выставляется цветовой баланс остальных снимков.
И более того. У полиграфистов, дизайнеров, даже маляров есть и стандартные цветовые шаблоны.
Было бы немножко странным послать на Марс ровер, не снабдив его такими стандартными карточками для калибровки цветопередачи, вы не находите?
А ведь и правда снабдили.

Картинка номер один. Это фрагмент той самой панорамы с деталями ровера на переднем плане. Штука с вертикальным стержнем в правом верхнем квадранте – это солнечные часы с гномоном. На Марсе нет магнитного поля, поэтому магнитный компас на нем не работает. По солнечным часам можно быстро определить ориентацию ровера, не используя астронавигацию. А чтобы два раза не вставать, это заодно еще и шаблон для калибровки цветопередачи. Внешнее кольцо имеет нейтрально-серый цвет, как и один из кружков за внешним кольцом. Еще одна калибровочная плашка закреплена на вертикальной панели (на снимке ниже). Опять же оттенки серого и четыре цвета. И еще на фрагменте снимка есть два сегментированных диска, опять же с секторами нейтрально-серого цвета. Думаю, эти диски используются для точной привязки камер – диски явно закреплены на корпусе ровера в точно определенных положениях. На ровере их как минимум десяток, считать было лениво.
И кстати, калибровочные таблички с цветами и оттенками серого были как бы не на всех марсианских аппаратах начиная с Викингов. На советских АМС Венера-13 и Венера-14, которые впервые в мире передали цветные фотографии поверхности Венеры в 1982 году, такие таблички тоже были.

Цветная панорама, которую NASA выложили для открытого доступа – это формат TIFF, а не RAW. Но почему бы не попробовать самостоятельно откорректировать цветовой баланс и не посмотреть, что получится?
Открываем снимок в графическом редакторе и выводим баланс цветов, используя участки заведомо нейтрально-серого цвета.
Тут, правда, есть такой момент. Ровер при посадке все же присыпало марсианской рыжей пылью и чистый серый цвет выбрать непросто.
Я выбрал внешнее кольцо солнечных часов – этот участок ровера выглядит самым чистым.
И действительно, кольцо слегка красноватое.
Аккуратно, насколько получится, выводим цветовой баланс.
Результат работы – на снимке номер два. Сверху исходное изображение, снизу – после цветокоррекции.
Небо на Марсе, как ни крути, желто-розовое от взвешенной тонкодисперсной марсианской пыли.
А почему на первом цветном снимке с Марса небо было голубое? А на этом снимке калибровочной таблички в поле зрения камеры не было. Думаю, пресс-служба NASA для обработки снимка использовала стандартный пресет графического редактора, рассчитанный на обработку снимков, сделанных в земных условиях, под земным голубым небом.

Фото номер три – бонус. Стикер с семейным портретом на корпусе ровера. Слева направо Sojourner, близнецы Spirit и Opportunity, Curiosity и Perseverance с дроном Ingenuity.

Первые полеты в чужом мире

К обещанному неторопливому рассказу на тему воды и жизни на Марсе я, надеюсь, все же вернусь, а пока несколько слов о главной марсианской сенсации апреля – я, конечно, о полетах вертолета Ingenuity.
Американцам, кстати, тоже лениво каждый раз выговаривать Perseverance и Ingenuity и неофициально эта парочка у них известна как Перси и Джинни.
Полет вертолета в крайне разреженной марсианской атмосфере – нетривиальная инженерная задача. Но Джинни летает, команде респект. Было бы странно ожидать, что люди, упешно посадившие на Марс уже девять АМС считая с Викингов, внезапно были бы не в курсе насчет особенностей марсианской атмосферы, вы не находите?
А теперь давайте все же вспомним, что замечательное советское образование нам дали в свое время не только затем, чтобы мы весь остаток жизни им гордились, но и чтобы хоть иногда его использовать.
Матана не будет. Обычная школьная задачка из тех, что решали в свое время школьники, и я в том числе, на городских физических олимпиадах.

Дано:
Масса дрона 1.8 кг
Диаметр ротора 1.2 м
Скорость вращения ротора 2400 об/м
Мощность силовой установки 350 Вт

Вопрос: сможет ли эта штука летать в марсианской атмосфере?
Для решения задачи разрешается использовать информацию из астрономических справочников.

В отличие от тогдашних школьных олимпиад, время решения задачи не ограничено, так что спокойно прокомментирую свой ход решения.

Ускорение силы тяжести на поверхности Марса равно 3.71 м/с (0.378 g). Дрон на поверхности Марса весит меньше, чем на Земле, это облегчает задачу. С другой стороны, экстремально разреженная атмосфера Марса с давлением 6.5 миллибар чертовски затрудняет задачу. 6.5 миллибар – это в среднем. Атмосферное давление зависит от высоты местности над уровнем моря и от сезона. Точную цифру мы не знаем, будем ориентироваться на среднюю.
Для расчета подьемной силы нам на самом деле нужно знать не давление атмосферы, а ее плотность. Атмосфера Земли состоит из 78% азота, 21% кислорода и 1% прочих газов, средняя молекулярная масса 29. Атмосфера Марса – это 90% углекислого газа и 10% азота, средняя молекулярная масса примерно 42.5. Плотность марсианской атмосферы при стандартном давлении 1 атмосферы будет примерно в 1.45 раз выше земной. Плотность земной атмосферы при стандартной температуре 0 °C равна примерно 1.225 кг/м^3. Соответственно, 6.5 миллибар давления марсианской атмосферы при температуре 0 °C – это примерно 1.225 * 1.45 * 0.0065 = 0.0115 кг/м^3. При температуре ниже нуля по Цельсию, а это на Марсе обычное дело даже возле экватора, марсианский воздух будет плотнее, но Джинни запускали в марсианский полдень, так что температурной поправкой рискнем пренебречь.
Дрон с массой 1.8 кг на Марсе весит 1.8 * 3.71 = 6.68 Н. Для устойчивого висения пропеллеры дрона должны создавать подъемную силу, равную весу дрона. Смогут ли соосные пропеллеры Джинни развит такую тягу?
Тяга вертолетного ротора в принципе считается по простой формуле: произведение секундного расхода воздуха на скорость потока. То есть если через ротор за секунду проходит один килограмм воздуха со скоростью 10 м/с, ротор создает тягу 10 Н.

F = m/t * V

Допустим, ротор Джинни гонит марсианский воздух через канал с сечением, равным диаметру ротора. Тогда секундный расход воздуха через такой канал в килограммах можно посчитать по формуле [секундный объемный расход х плотность].
Секундный расход в кубических метрах равен произведению сечения канала на скорость потока S * V. А секундный расход в килограммах соответственно:

m/t = d * S * V

И тогда подъемная сила ротора:

F = d * S * V^2

Плотность марсианской атмосферы d мы уже оценили: 0.0115 кг/м^3
Площадь ротора Джинни:

S = PI * D^2 /4 = 1.13 м^2

Остался один свободный параметр – скорость потока.

6.68 = 0.0115 * 1.13 * V^2

Отсюда скорость потока V = 22.7 м/с. Не так уж и много, как представлялось из диванной экспертной оценки “не, не взлетит”.
Может ли соосный ротор Джинни создать такую скорость потока? Вполне. При диаметре 1.2 м раскрученный ротор Джинни делает 40 оборотов в секунду. Законцовки лопастей при этом движутся с линейной скоростью 40 * PI * D = 150 м/с. Лопасти ротора марсианского вертолета, кстати, и выглядят очень необычно и красиво – похожи на крылья стрекозы. Ротор явно был сконструирован для необычной атмосферы другой планеты.

Ладно, эту задачку мы решили. Теперь следующая: а хватит ли мощности силовой установки для создания расчетной подъемной силы?
Тоже вполне, и с запасом.
Мощность силовой установки преобразуется в кинетическую энергию воздушного потока:

W = m/t * V^2 / 2

Все нужные данные для расчета у нас уже есть:

W = d * S * V^3 / 2

0.0115 * 1.13 * 22.7^3 / 2 = 76 Вт.

То есть на полет в режиме висения расходуется лишь 22% номинальной мощности силовой установки. Можно предположить, что столь избыточная на первый взгляд энерговооруженность нужна для быстрой раскрутки ротора до полетных оборотов.

Думаю, инженер с профильным образованием мое решение раскритикует, и вполне обоснованно. Ротор вертолета все же работает не в идеальном канале с ламинарным течением газа и часть мощности силовой установки расходуется на генерацию паразитных вихрей, не дающих вклад в создание подьемной силы. Но думаю, создатели Джинни не только задачки на школьных олимпиадах решали и профильное образование у них есть.

И заодно уж третья задачка. А хватит ли энергии солнечной батареи Джинни для обеспечения полетов дрона? Уж больно крошечной она выглядит.
ТТХ солнечной батареи в Вики я не нашел. Может быть, где-нибудь на сайте NASA есть, но я просто померил в Фотошопе. Получился размер панели примерно 0.4 х 0.1 м.
На уровне земной орбиты солнечные батареи дают электрическую мощность примерно 200 Вт/м^2, то есть солнечная панель Джинни площадью 0.04 м^2 давала бы мощность 8 Вт.
На данный момент (26 апреля 2012 года) Марс находится на расстоянии 1.636 а. е. от Солнца. Уровень инсоляции по закону обратных квадратов составляет 0.375 земного, то есть солнечная батарея Джинни дает около 3 Вт мощности, когда Солнце в местном зените. С учетом того, что батарея заметно присыпана пылью, ну и на случай, если я переоценил площадь батарей, я бы дал рабочую мощность около 2 Вт. А поскольку солнечная батарея Джинни не умеет ориентироваться на Солнце, за марсианский день аккумуляторные батареи заряжаются примерно на 10...12 Вт * ч (считать точнее мне лениво). Емкость аккумуляторных батарей 35...40 Вт * ч, то есть полный заряд Джинни должен занимать примерно три-четыре сола, если не считать расход энергии на обогрев электроники вертолета морозными марсианскими ночами. Примерно с такими интервалами они сейчас и запускают свою игрушку, но это скорее совпадение.
По данным NASA, вертолет может совершать полеты продолжительностью до 90 секунд. Даже если предположить, что вертолет в полете непрерывно потребляет пиковую нагрузку 350 Вт, получается расход энергии на полет 8.75 ватт * час, то есть батарея будет разряжена всего на четверть емкости. Такой расход энергии солнечная батарея Джинни вполне способна скомпенсировать за один сол.
В принципе у меня ощущение, что солнечная батарея изначально была задумана как вспомогательный источник электроэнергии. Джинни не рассчитана на продолжительную работу. Аккумуляторная батарея была первоначально заряжена от бортовой сети ровера и только после этого Джинни выгрузили в поле.

Третий полет Джинни, как вы наверное знаете, получился очень интересным – за 80 секунд дрон взлетел, отлетел на 50 метров в сторону, вернулся и сел на прежнее место. Можно предположить, что в пятом завершающем полете команда испытает Джинни в сложном полете на пределе возможностей, чтобы посмотреть, на что она способна.
А что случится, если Джинни переживет этот полет?
Команда уверяет, что пятый полет при любом раскладе будет завершающим. Перси не может нянчиться с Джинни и делать свою полевую работу одновременно, а Джинни не может летать автономно без помощи ровера. Но я все же где-то надеюсь, что они передумают. Посадят Джинни где-нибудь впереди по маршруту ровера, а потом продолжат полеты, когда Перси подъедет поближе.
Но это им решать.

Полеты на Марсе: заглянем в будущее

Команде из JPL не только респект и уважуха, но и гран мерси – таки решили исполнить мою смелую надежду, что пятый полет Джинни не будет последним. В пятом полете они поступили именно как я тут с дивана предложил - перегнали дрон на новую площадку и продолжат испытания по более сложной программе. Но уже четвертый полет впечатлил – Джинни за 117 секунд полета пролетела путь 266 метров (с возвращением на старт).
Полевые геологи в обиде тоже не будут. Перси теперь не нужно будет стоять на месте, чтобы наблюдать за полетами – ровер может приступить к своей основной программе, ездить и изучать скальные породы в районе посадки. Специалисты из JPL рассчитывают, что смогут обеспечить устойчивую связь между ровером и дроном на большем расстоянии, чем во время первой фазы испытаний. Второй этап испытаний продлили еще на 30 солов. Джинни будет летать реже, примерно раз в две или три недели, но по более сложной программе. И я думаю, они таки попробуют провести разведку пути по маршруту ровера. И если окажется, что Джинни в хорошем техническом состоянии и не сильно отвлекает ровер от основной работы, возможно, что дрон будет летать до конца августа, раз или два в месяц перелетая на новый вертодром. На этом летный сезон будет окончательно закрыт – команде надо будет готовить ровер к потере связи с Землей в октябре, когда Марс окажется за Солнцем.

А пока пользуюсь случаем снова поговорить на тему, которая увлекала меня как бы не почти всю сознательную жизнь – о всяких летающих штуках (и теперь уже летающих не только на Земле). Все же почему для полетов на Марсе выбрали именно вертолет, а не легкий мотопланер вроде тех, которые делали в свое время авиамоделисты?
Самый очевидный ответ – вертолету не нужен подготовленный аэродром для взлета и посадки, годится любая свободная от крупных камней относительно ровная площадка. Но есть и еще одна причина.
Возьмем для примера ультралегкий дрон RQ-11 Raven – эта птичка с электромотором и толкающим винтом запускается в воздух с руки и на уровне массогабаритных параметров прекрасно подходит для сравнения с Ingenuity. Судите сами: размах крыла RQ-11 Raven 1.37 м (диаметр ротора Ingenuity 1.2 м), масса 1.9 кг (соответственно 1.8 кг). В дешевом дроне для тактической разведки на поле боя хайтеком не сильно заморачивались – думаю, крыло и фюзеляж из углепластика получилось бы легче. Но возьмем то, что предлагают, для прикидки сойдет.
Летные зарактеристики “Ворона” такие: практический потолок 4600 м, диапазон скоростей 45...97 км/ч (12.5...27 м/с), продолжительность полета 60...90 минут, максимальное удаление от оператора до 10 км.
Сможет такая штука летать в разреженной марсианской атмосфере?
С пропеллером, оптимизированным для земной атмосферы – однозначно нет. А с более адекватным двигателем?
Берем данные из предыдущей задачи.
Ускорение силы тяжести на поверхности Марса 3.71 м/с (0.378 g). Соответственно нам нужна подьемная сила 0.378 земной, чтобы скомпенсировать вес дрона. Плотность марсианской атмосферы 0.0115 кг/м^3 против 1.125 кг/м^3 земной, отношение 0.0102. Во столько же раз меньше подьемная сила крыла на Марсе при той же скорости. То есть нам нужно увеличить подъемную силу крыла дрона в 0.378 / 0.0102 = 37 раз, чтобы удержать его в полете. Так как подьемная сила крыла пропорциональна квадрату скорости набегающего потока, скорость полета RQ-11 Raven на Марсе должна быть в 6.08 раза больше, чем на Земле. То есть получаем диапазон скоростей дрона 76.25...164.15 м/с. А это рабочий диапазон скоростей большой авиации, а не опытных моделей, рассчитанных на полеты на планете, удаленной на световые минуты от оператора. Даже если такой дрон запустить с ровера с помощью катапульты (понадобится, видимо, стартовый ракетный ускоритель), это будет единственный полет. 140 узлов (72 м/с) – это скорость захода на посадку тяжелого пассажирского лайнера или реактивного истребителя. Чем закончится посадка дрона на марсианский песок и камни с такой скоростью, думаю, подробно комментировать не надо.
В принципе полет крылатого аппарата в марсианской атмосфере не то чтобы совсем уж невозможен. В авиамодельном спорте, с которого я начал разговор, есть экзотический класс ультралегких моделей F1D для полета в закрытых помещениях. Модель с размахом крыла 55 см имеет массу всего 1.4 г. Если грубо предположить, что пропорции крыла модели в плане не сильно отличаются от крыла “Ворона”, то размах крыла такой модели в 2.5 раз меньше, а площадь крыла в 6.25 раз меньше, при этом масса модели меньше в 1357 раз, а удельная нагрузка на крыло в 217 раз. Скорость полета такой можели в земной атмосфере по нашим расчетам получается 12.5 / SQRT (217) = 0.85 м/с, и действительно, в Вики пишут, что такие модели летают со скоростью неспешного прогулочного шага. В марсианской атмосфере такая модель сможет держаться в воздухе при скорости 0.85 * 6.08 = 5.15 м/с, так что астронавт в легком скафандре в безветренную погоду вполне сможет запустить ее с руки. Но пожалуй, такие ультралегкие модели трудно будет использовать для чего-то помимо развлечения марсианских колонистов.
А есть ли шансы на работу у крыла на Марсе в отдаленной перспективе?
В авиасимуляторе X-Plane (аккуратно сделанная, к слову, динамическая модель, сертифицированная для тренировки гражданских пилотов авиакомпаний), был в свое время футуристический марсианский самолет с крылом большого удлинения, как у планера. По компоновке такой летательный аппарат может быть похожим на американский U-2 или советский M-55 “Геофизика”, но конечно, воздушно-реактивный двигатель придется заменить на ЖРД. Практический потолок U-2 и M-55 близок, примерно 21500 м. Плотность атмосферы на этой высоте примерно в 17 раз меньше, чем на уровне моря, а с учетом марсианской силы тяжести крыло U-2 теоретически могло бы создать достаточную подъемную силу при плотности атмосферы 1/45 от земной атмосферы на уровне моря – так что на Марсе U-2 даже при оснащении ракетным двигателем летать не сможет. Возможно, дерзкий авиаконструктор вроде Барта Рутана сможет в будущем поломать шаблоны и сделать рекордно легкий мотопланер, способный удержаться в марсианской атмосфере, по почти наверняка это будет опять же беспилотный дрон, а не транспортный аппарат для перевозки людей и грузов. И даже такому дрону потребуется аэродром с очень длинной ровной ВПП.
А как насчет аппарата комбинированной схемы, который мог бы взлетать и садиться вертикально, а после разгона до сверхзвуковой маршевой скорости использовать крыло? Смотрим на рекордсмена по рабочему потолку SR-71 Blackbird с рабочим потолком 25900 м. Плотность атмосферы на этой высоте в 34 раза меньше, чем на уровне моря, а с учетом марсианской силы тяжести SR-71 мог бы удержаться в марсианской атмосфере, но почти на пределе! Но стоит напомнить, что рекордный SR-71 был очень строгим в управлении и очень непростым в техническом плане летательным аппаратом. Мне лично с дивана представляется, что крыло в марсианской транспортной системе будет использоваться, но установившийся полет со сверхзвуковой или гиперзвуковой скоростью – слишком расточительно в плане расхода топлива и технически неоправданно сложно (такой полет упирается в серьезные проблемы с аэродинамическим нагревом конструкции). Профиль полета марсианских ракетопланов, мне так думается, будет чем-то похожим на профиль полета X-15 – энергичная горка с разгоном, полет по баллистической параболе и финальный маневр в атмосфере перед посадкой на реактивной тяге. Или даже, может быть, полет с серией рикошетов от атмосферы – ракетоплан сможет маневрировать в атмосфере, меняя курс, во время погружения, и охлаждать крыло во время полета по баллистической ветви траектории. Вот в таком режиме фантазии насчет ТТХ можно не ограничивать – марсианский ракетоплан запросто может быть размером с орбитер Space Shuttle, а то и крупнее. Физика делает такой полет на Марсе даже проще, чем на Земле: скорость входа в атмосферу всяко меньше, чем при сходе шаттла с околоземной орбиты, так что теплозащиты шаттла хватит с избытком, да и уменьшенная сила тяжести облегчит посадку на реактивной тяге на финальном этапе.

Но вернемся таки к вертолетам – в обозримой перспективе это как бы не единственный способ вести воздушную разведку на Марсе, не имея обустроенных аэродромов. Можно ли взять за основу ту же Джинни и масштабировать ее до чего-то более основательного?
Тут наши фантазии ограничены теми же законами физики, которые напрочь исключают существование на Земле насекомых размером со слона. Если точно соблюдать масштаб, то площадь крыла/ротора (и соответственно, подьемная сила при той же скорости относительного воздушного потока) растет пропорционально квадрату линейных размеров, а его масса – пропорционально кубу. Применительно к Джинни это означает, что при увеличении ее линейных размеров вдвое площадь ротора увеличится в 4 раза, а масса в 8 раз и нам нужно будет увеличить линейную скорость вращения лопастей ротора в SQRT(2) раз, чтобы поднять дрон в воздух. По счастью, задел в этом направлении есть. Законцовки ротора диаметром 2.4 м будут иметь линейную скорость 150 * SQRT(2) = 212 м/с. Это все еще меньше, чем скорость звука в среде из 90% углекислого газа и 10% азота (приблизительно 266 м/с при 0 °C), так что запас на дальнейшее масштабирование есть, но не сильно большой. При масштабировании Джинни в три раза (диаметр ротора 3.6 м) законцовки ротора уже будут иметь линейную скорость 260 м/с, масса дрона – 48.6 кг. Я бы рискнул предположить, что это близко к верхнему пределы пределу массы дрона, который может летать в марсианской атмосфере. И любопытно, что в NASA осторожно намекают, что дроны, которые смогут нести научную нагрузку, будет иметь массу порядка 40...50 кг, так что школьная физика работает на удивление неплохо.
Ограничение на массу можно обойти и другим способом. Остановимся на двухкратном масштабе, но сделаем квадракоптер из четырех таких блоков. Получим массу летательного аппарата 1.8 * 2^3 *4 = 57.6 кг (на практике, конечно, нужно еще добавить к этой цифре массу фермы, связывающей блоки в единую конструкцию). Какую схему выберут в NASA для перспективных разработок, сказать трудно, но в целом квадракоптер выглядит перспективным решением – его будет легче разместить под аэродинамическим корпусом спускаемого аппарата, чем лопасти винта большого диаметра. Но вот вертолет для будущих марсианских геологов – это, увы, крайне вряд ли.
На сегодня, пожалуй, все, а в следующий раз отвлекусь на возможности полетов на других телах Солнечной системы.

Полеты на Марсе: дополнение

Реальность превзошла мои смелые диванные фантазии. Простенький технологический демонстратор успешно выполнил не только пять испытательных полетов, но и серию сложных полетов по расширенной программе. Более того, Джинни без проблем перенесла прекращение сеансов связи в октябре, когда Марс находился за Солнцем, и вслед за тем успела сделать еще пять полетов, доведя общее число полетов до 18! Джинни провела в воздухе 32 минуты 50 секунд и преодолела путь длиной 3823 метра. Но дело не в рекордах, конечно. Джинни из забавной игрушки успела превратиться в полезный инструмент. Команда ровера уже использовала результаты воздушной разведки для уточнения маршрута.
С момента моей первой публикации на форуме в русской Википедии появилась толковая статья про Ingenuity. Изложу кратко те моменты, которые я упустил по незнанию в своем диванном анализе или изложил неточно.
Габариты солнечной панели Джинни 425 х 165 мм, общая рабочая площадь солнечных элементов 544 см^2 – в 1.36 раза больше, чем в моей оценке навскидку.
Как я и предполагал, непосредственно на полет расходуется сравнительно небольшая часть энергии аккумуляторной батареи. Раскладка такая: из емкости АКБ 35.75 Вт * ч на один полет отводится 10 Вт * ч, и на обогрев аппаратуры выделено 21 Вт * ч. Остаток емкости – резерв на непредвиденные случаи. Продолжительность полета 90 с была задана из того, что 80% выделенной на полет энергии будет расходоваться при номинальной рабочей мощности 360 Вт и 20% при пиковой нагрузке 510 Вт (взлетный режим). Опыт эксплуатации вертолета показал, что продолжительность полета ограничена сверху не запасом энергии, а нагревом ротора в разреженной атмосфере. Сейчас они новыми рекордами не увлекаются и установили оптимальное время полета порядка двух минут.
Решение продлить программу полетов до сентября 2021 года опять же оказалось не окончательным. Сейчас финансирование программы продлено на неопределенный срок. Будут продолжать полеты, насколько хватит ресурса дрона. Приятный бонус, но есть и сложности.
Во первых, конечно, ресурс для работы в течение нескольких лет изначально в конструкцию дрона не был заложен. Во вторых и в главных, вертолету пришлось летать в более сложных условиях, чем планировали изначально. В первые месяцы дрон летал при плотности атмосферы 0.0145 кг/м^3 и рабочие обороты роторов 2537 об/мин обеспечивали необходимое для взлета 20% превышение подъемной силы над весом аппарата. К осени 2021 года в районе кратеро Езеро наступило местное лето, воздух прогрелся и его плотность снизилось. Для полетов в более разреженной атмосфере пришлось повысить рабочие обороты роторов до 2700 об/мин. Такой форсированный режим выходил за изначально заложенные рамки режимов эксплуатации и его испытание на Земле не проводилось, но по счастью в конструкции дрона оказался нужный запас прочности.
Сейчас команда столкнулась с очередным вызовом – 19 полет пришлось отложить не по причине технических накладок, а по метеоусловиям. В районе Езеро наступает марсианская осень – сезон запредельных для легкого дрона ветров и интенсивных пылевых бурь. Перси с ее РИТЭГ пылевые бури работать не помешают, а вот Джинни солнечный свет критически необходим для подзарядки аккумуляторных батарей от солнечной панели.

Очень любопытна история создания Джинни. Энтузиастом идеи использования летательных аппаратов для изучения Марса, Венеры и Титана был Ларри Янг из исследовательского центра Эймса NASA. Он опубликовал статью на эту тему еще в 2000 году и рассчитал профиль лопастей, оптимизированных на создание подьемной силы в разреженной марсианской атмосфере. Ротор успешно прошел испытания в барокамере, но проект в целом лег на полку на долгих полтора десятилетия. Лишь в январе 2015 года группе МиМи Аунг были выделены деньги для работы над проектом Mars Helicopter Scout, а официально проект был включен в программу экспедиции Марс-2020 лишь 11 мая 2018 года. Компоновка вездехода к этому моменту полностью определилась и группе пришлось вписывать свой вертолет в рамки уже установленных технических ограничений. Опытный дрон сделали максимально простым и дешевым – Джинни не несет никакого научного оборудования, только аппаратуру контроля полета - две камеры (обзорная и навигационная), два инерциальных датчика, инклинометр, лазерный альтиметр и приемопередатчик. Любопытно, что камеры, датчики, устройства питания и радиосвязи дрона были закуплены NASA на гражданском рынке. Инерциальные датчики, стоящие на Джинни, к примеру, применяют в смартфонах и игровых контроллерах. В каком-то плане авионика Джинни, изначально рассчитанная на опытные полеты над ровной поверхностью, получилась даже проще, чем в серийных дронах. В дронах лазерный альтиметр устанавливается на гиростабилизированной платформе. Лазерный альтиметр Джинни жестко встроен в днище и не в состоянии удерживать вертикаль. Когда дело дошло до полетов над дюнами, показания лазерного альтиметра пришлось принудительно игнорировать, чтобы не спровоцировать у авионики Джинни приступ паники от внезапных изменений высоты. Камеры Джинни тоже для научных целей малопригодны, плюс к тому пропускная способность канала связи с вертолетом невелика. Если Перси регулярно сливает на Землю сотни фотографий высокого качества в день, то результаты работы Джинни – десяток цветных фотографий раз в две-три недели, сжатых в формате JPEG. Но по правде говоря, научных результатов от опытного дрона никто и не ожидал.

И наконец, человеческий фактор. Команда МиМи Аунг, конечно, страшно довольна результатом, но основная научная команда проекта Марс-2020 восприняла эту затею с вертолетом, мягко говоря, без энтузиазма. Геологов понять можно: время – очень дорогой невосполнимый ресурс и они пытаются использовать его на максимум. Выделение части рабочего времени Перси на обеспечение полетов бесполезной в научном плане игрушки их, конечно, раздражает. Внезапная популярность группы МиМи Аунг в Паутине тоже вряд ли изменила их отношение к проекту к лучшему. На их месте, пожалуй, я бы тоже бурчал: можно подумать, за исключением полетов этого дрона-недоноска на Марсе больше ничего важного и интересного не происходит. Ревнивые чувства оказавшихся в тени специалистов понять можно: если ты хочешь регулярно получать средства на свою научную работу, ты должен интересно и понятно расказывать о ней обществу. NASA не зря тратит столько усилий на популяризацию результатов своих научных программ.
Но если попытаться глянуть на ситуацию со стороны, то проект Марс-2020 в целом на мой взгляд только выиграл. Полеты крошечного вертолета оживили интерес к изучению Марса. Мы увидели Марс так, как никогда до этого не видели, и это здорово.
И кстати, есть еще такой момент. Есть научные проекты безумно сложные и запредельно дорогие даже для экономических сверхдержав. Вроде телескопа Уэбба, который строился почти два десятилетия и обошелся в 10 гигадолларов. А есть и вот такие проекты, вполне посильные всем членам космического клуба. В Джинни нет ничего такого запредельно сложного, чего не смогли бы сделать при желании Россия, Китай или Индия. И весь проект обошелся в 85 мегадолларов – примерно как затеянные Роскосмосом сьемки художественного фильма на МКС. Но у Роскосмоса, видимо, свое понимание приоритетов, которое мне с дивана не понять.

Инфографика:
Вид поверхности Марса с высоты птичьего (низкого) полета. Так мы Марс еще не видели!
Снимок сделан во время 6 полета Ingenuity, Sol 91