Полеты в других мирах

Отвлечемся на время от Марса и посмотрим на другие небесные тела Солнечной системы.

Венера

На первый взгляд, мир для дронов крайне неподходящий. Условия адские: температура 460 °C, давление 93 бар. Земная техника в таких условиях живет недолго, сколько позволяет запас теплоемкости. Но это на поверхности. На высоте 50 км давление атмосферы уже равно земному на уровне моря. Температура на этой высоте, правда, равна 75 °C – для электронной начинки земной техники все еще жарковато. Но если подняться до высоты 55 км, условия уже почти комфортные – температура 27 °C при атмосферном давлении 0.53 бар. Забавно, что при колоссальной разнице в физических свойствах атмосфер Марса и Венеры по химическому составу они похожи. Атмосфера Венеры – это 96.5% углекислого газа и 3.5% азота. Такая атмосфера при стандартных условиях (1 бар при 0°C) имела бы плотность в полтора раза больше земной. Можно посчитать, что плотность атмосферы Венеры на высоте 55 км при температуре 27 °C и атмосферном давлении 0.53 бар равна 0.885 кг/м^3 – примерно соответствует высоте 3 км над уровнем моря. Даже для легкой авиации высота далеко не запредельная, так что мотопланер, рассчитанный для высотных полетов в верхней тропосфере, запросто будет летать и повыше, на высоте 60 км, где температура -10 °C тоже вполне обыденная для земной техники. А с учетом того, что поток солнечного излучения на Венере в 1.9 раз выше земного, мотопланер с приводом винта от солнечных батарей на Венере будет в более выгодных условиях, чем на Земле (не забудем и меньшую силу тяжести на Венере – 0.905 g).
К сожалению, есть два “но”, которые эту благодать изрядно портят. И я даже не об элементарном вопросе – каким образом доставить мотопланер с его длинным крылом на стартовую позицию.
Во первых, облака Венеры – это аэрозоль из концентрированной серной кислоты. Среда агрессивная и для земной техника малоподходящая. А облака Венеры достигают высоты 75 км. Выше небо чистое, но там уже и плотность атмосферы как на поверхности Марса при ускорении силы тяжести почти как на Земле.
И во вторых, ветра в атмосфере Венеры достигают скорости порядка 100 м/с. Атмосфера Венеры активно циркулирует, перенося солнечное тепло из разогретого дневного полушария в ночное. Планер бысто снесет в ночное полушарие планеты, где солнечные батареи окажутся бесполезными. То же произойдет и с любым дроном.
А как насчет аэростатики? Шару-зонду не нужен источник энергии, чтобы держаться в воздухе.
Успешный опыт полетов шаров-зондов в атмосфере Венеры уже есть, причем это историческое достижение принадлежит Советскому Союзу.
11 июня 1985 года спускаемый аппарат АМС Вега-1 вошел в атмосферу Венеры и на пути к поверхности на высоте 54 км выпустил шар-зонд. Аэростат после нырка на высоту 50 км сбросил балласт и вернулся на высоту 53.5 км, на которой за 46 часов продрейфовал 11600 км в турбулентной атмосфере Венеры. 15 июня того же года со спускаемого аппарата АМС Вега-2 был выпущен второй шар-зонд, который за те же 46 часов совершил дрейф на 11100 км. Связь с обоими шарами-зондами была потеряна, когда ветра унесли их за пределы зоны радиовидимости. Так что при наличии орбитальных ретрансляторов потенциал у шаров-зондов в атмосфере Венеры определенно есть.
Экзотическая, но в принципе реальная идея – гибрид шара-зонда, заполненного легким газом, с тепловым шаром. Если сделать оболочку шара из черной пленки, газ в шаре-зонде будет нагреваться на дневном полушарии Венеры и шар будет подниматься в более высокие слои атмосферы. Оказавшись над ночным полушарием, шар-зонд остынет и занырнет в более глубокие слои атмосферы. Таким образом можно без активных затрат энергии изучать атмосферу Венеры в определенном диапазоне высот. Чтобы сказать, сработает ли эта идея, надо знать, насколько прозрачны облака Венеры в рабочем диапазоне высот шара-зонда.
Вообще говоря, в атмосфере из углекислого газа аэростат не обязательно заполнять водородом или гелием. Воздух (смесь азота и кислорода в пропорции 4:1) легче углекислого газа и тоже будет создавать подъемную силу. Подъемная сила воздуха в окружающей атмосфере из углекислого газа примерно втрое меньше, чем у водорода или гелия, и примерно вдвое меньше, чем у водорода или гелия в воздухе, но футурологи эту идею активно окучивают, рисуя эпические картины плавающих в атмосфере Венеры колоний-аэростатов. Причем для аэростатов эффект масштабирования как раз работает в благоприятную сторону. С ростом размеров аэростата его подьемная сила растет пропорционально кубу линейных размеров, а не квадрату, как у самолетного крыла или вертолетного ротора.
Прикинем ради любопытства архимедову силу, которую создаст заполненная воздухом оболочка в атмосфере Венеры на высоте 55 км. Плотность воздуха при давлении 0.53 бар и температуре 27 °C равна примерно 0.591 кг/м^3. Округлим до 0.6 кг/м^3 – нам надо увеличить содержание кислорода в воздухе, чтобы скомпенсировать пониженное атмосферное давление. Плотность атмосферы Венеры на этой высоте мы уже вычислили – 0.885 кг/м^3. Соответственно разность масс на один кубический метр 0.885 – 0.600 = 0.285 кг.
Возьмем сферическую оболочку диаметром 200 м – размер, сопоставимый с крупнейшими куполами крытых стадионов. Объем такой оболочки 4 186 790 м^3 и соответственно она сможет удержать в равновесии массу 1 193 235 кг. Площадь поверхности оболочки 125 665 м^2. Если оболочку сделать из многослойного металлизированного майлара толщиной 0.45 мм, один квадратный метр такой оболочки будет иметь массу около 0.5 кг. Полная масса оболочки получается 62 832 кг, так что даже с запасом массы на армирующие ленты и стропы остается тысяча тонн на внутренний каркас и конструкции. Для поселения с населением в полсотни человек этого недостаточно, но для научного форпоста с командой в десяток человек преемлемо. В принципе создание такой конструкции не выглядит принципиально невозможным, но хотелось бы все же знать две вещи. Во первых, как собирать такие конструкции в атмосфере, не имея поверхности в качестве опоры? И во вторых (возможно, это в главных), как обеспечить автономную жизнь колонии, не имея главного – легко доступных источников воды и минералов?
В любом случае создание колоний в атмосфере Венеры – вопрос отдаленного будущего, до которого я по самым оптимистическим сценариям не доживу. Так что пошли дальше.

Титан

Титан – самый большой спутник Сатурна. Формально это луна, а не планета, но это единственная в Солнечной системе луна с плотной атмосферой. И по двум главным параметрам Титан подходит для полетов больше, чем любое другое тело Солнечной системы, включая Землю.
Плотность атмосферы Титана на уровне поверхности 5.05 кг/м^3 – в четыре с лишним раза выше, чем у земной атмосферы. А ускорение силы тяжести всего 0.138 g – в семь с четвертью раз ниже земного. Сочетание этих двух параметров означает, что крыло дрона или ротор коптера при той же площади способны нести нагрузку в 36.7 раза больше, чем на Земле. Добавим к этому спокойную атмосферу – на уровне поверхности Титана преобладает штилевая погода. Прекрасные условия для летательного аппарата тяжелее воздуха.
Есть, впрочем, и два неблагоприятных фактора. На поверхности Титана очень холодно: температура 94 K (-179 °C). Плотная холодная атмосфера будет обдувать корпус аппарата во время полета и активно отводить тепло. Обычная экранно-вакуумная термоизоляция (та самая золотистая пленка, в которую укутывают приборные отсеки АМС) в атмосфере Титана работать не будет. Корпус аппарата придется термоизолировать каким-нибудь высокотехнологичным пеноковриком. Солнечные батареи в качестве источника энергии для дрона непригодны – сама система Сатурна находится на расстоянии 9.05...10.12 а. е. от Солнца, а плотная дымка атмосферы Титана к тому же поглощает большую часть и без того скудного потока солнечного света. Но в принципе обе проблемы технически решаемы – РИТЭГ большую часть энергии выделяет в виде тепла, которое используется для обогрева аппарата.
Идея летательного аппарата в атмосфере Титана уже не является футуристической фантазией. Миссия Dragonfly была предложена командой из APL в апреле 2017 года в рамках долгосрочной программы исследования Солнечной системы New Frontiers и 27 июня 2019 года получила официальный статус четвертой миссии в рамках программы (первые три миссии New Frontier уже успешно реализованы – это New Horizons, Juno и OSIRIS-Rex).
По конструкции дрон Dragonfly – это октакоптер с четырьмя парами соосных роторов. Дрон будет иметь массу примерно 450 кг. Диаметр каждого ротора 1 м. В качестве источника энергии будет использован РИТЭГ с электрической мощностью 70 Вт. Непосредственно для полета будут использованы литий-ионные аккумуляторные батареи. Конструкторы дрона нацелены на такие ТТХ дрона: дальность полета на полном заряде батареи до 10 км, высота подъема до 4 км, максимальная скорость 10 м/с, максимальная продолжительность полета около получаса. В отличие от Ingenuity дрон Dragonfly будет иметь остронаправленную антенну для прямой связи с Землей. Но с учетом времени задержки сигнала порядка часа в одну сторону управленцы на Земле будут лишь определять приоритетные цели, а добираться до них по воздуху аппарат будет самостоятельно. Вся конструкция дрона Dragonfly со сложенными лопастями роторов во время полета к Титану будет упакована в кожухе с теплозащитным экраном диаметром 3.7 м.
Запуск аппарата планируется в июне 2027, прибытие к Титану в 2036 году после гравитационного маневра у Венеры и серии из трех гравитационных маневров у Земли. В отличие от марсианского сценария посадки “Семь минут ужаса” снижение аппарата в плотной атмосфере Титана займет примерно 105 минут. После шестиминутного аэродинамического торможения до скорости 1.5 M спускаемый аппарат выпустит тормозной парашют, на котором будет снижаться 80 минут. Затем аппарат выпустит основной парашют, на котором будет снижаться 20 минут. На этой стадии теплозащитный экран будет отстрелен. Дрон включит радарные и лазерные альтиметры, развернет лопасти роторов, зафиксирует посадочные лыжи в рабочем положении, на высоте 1.2 км отделится от кожуха с парашютом и совершит самостоятельный полет к выбранной посадочной площадке.
Посадка аппарата запланирована в дюнах к юго-востоку от геологически молодого ударного кратера Селк диаметром 90 км. Ученые полагают, что при образовании кратера он был частично затоплен водой из подледного океана Титана и этот толстый слой воды мог оставаться жидким достаточно долго (тысячи, а то и десятки тысяч лет), чтобы в нем произошли реакции синтеза предбиологических компонентов из органики, обильной на поверхности Титана. В составе научной полезной нагрузки соответственно помимо прочей аппаратуры будет масс-спектрометр для изучения сложных органических молекул. Dragonfly будет совершать перелеты между площадками дальностью до 8 км и за запланированные 2 года 9 месяцев активной работы общая протяженность маршрута достигнет 175 км. Но учитывая завидную живучесть зондов NASA хочется надеяться, что и этот зонд превысит запланированный срок работы.
В атмосфере Титана способны летать все типы летательных аппаратов, которые реализовала инженерная фантазия: аэростаты, дирижабли, самолеты, вертолеты, конвертопланы, экранопланы, аппараты на воздушной подушке. В 2009 году NASA и ESA вели предварительную проработку совместного проекта TSSM (Titan Saturn System Mission). В этой миссии предполагалось комплексное изучение Титана с орбиты (масса орбитера 1613 кг), изучение атмосферы Титана с помощью теплового шара (масса зонда 600 кг) и изучение крупного метанового озера Море Лигеи в северной полярной области с помощью плавучего зонда. Этот проект отложен на неопределенное будущее и вряд ли будет реализован в изначальном виде. Еще один концепт-проект AVIATR предусматривал изучение атмосферы Титана с помощью дрона с фиксированным крылом. Мотопланер массой 120 кг должен был получать энергию для полета от двух радиоизотопных генераторов Стирлинга мощностью по 128 Вт с ресурсом работы в один год.
Если рискнуть заглянуть в ту ветку альтернативного будущего, в которой колонизация Солнечной системы станет свершившимся фактом, то Титан – как бы не самое подходящее место для колонии на внешних окраинах Солнечной системы. И в отличие от Марса, где крыло будет лишь вспомогательным элементом планетной транспортной системы, на Титане у авиации хорошие перспективы. Dragonfly с более мощной силовой установкой вполне можно масштабировать до летающего ровера для исследовательской партии – а впрочем, для этой цели еще лучше подойдет конвертоплан, объединяющий в своей конструкции преимущества вертолетного ротора и самолетного крыла. Дирижабли в этом мире вполне могут испытать возрождение и оказаться востребованными для переброски крупногабаритных и/или тяжелых грузов или как летающие научные станции, способные неделями проводить автономные исследования вдали от стационарных баз. А для исследования обширных метановых озер и болотистых низменностей прямо таки напрашиваются аппараты на воздушной подушке или экранопланы. Конечно, эти аппараты будут внешне похожи не на свои земные прототипы в чистом виде, а скорее на гибриды летательных аппаратов и субмарин – но с инженерной точки зрения это будет авиация.
И кстати, мускулолеты на Титане тоже могут возродиться как специфичный для колонистов вид спорта. Полет мускулолета у нас на Земле – это сочетание ультрасовременных технологий с работой на пределе человеческой выносливости. Рекордный мускулолет MIT Daedalus, на котором греческий спортсмен Канеллос Канеллопулос в 1988 году преодолел 115.11 км над Эгейским морем от острова Крит до острова Санторин за 3 часа 55 минут, при размахе крыла 34.75 м (площадь крыла 35 м^2) имел массу всего 35 кг, но при этом затраты мускульной энергии на перелет были сопоставимыми с двумя марафонскими дистанциями. Атмосферное давление на поверхности Титана равно 1.45 бар. Воздух под куполом колонии на Титане при том же давлении будет в 1.45 раз плотнее земной атмосферы, что в сочетании с ускорением силы тяжести 0.138 g даст возможность удержать этот же мускулолет в воздухе, снизив мощность привода в 10.5 раз.

Планеты-гиганты

Казалось бы, если не брать Юпитер с его ускорением силы тяжести на экваторе 23.12 м/с^2 (примерно 2.35 g), бездонные атмосферы газовых гигантов – то что надо для летательных аппаратов. И в самом деле, по курьезу природы ускорения силы тяжести остальных газовых гигантов близки к привычной для землян норме:
Сатурн – 10.45 м/с^2 (1.065 g)
Уран – 8.70 м/с^2 (0.885 g)
Нептун – 11.00 м/с^2 (1.11 g)
Но на деле есть две серьезных трудности.
Во первых, атмосферы планет-гигантов – это в основном водород с примесью гелия. Обычный аэростат в такой атмосфере удержаться не может, так что пассивный полет без затрат энергии не получится. Нужен тепловой шар или летательный аппарат тяжелее воздуха с активным движителем (то есть мотопланер или мультикоптер). Энергию для полета опять же брать неоткуда кроме как от бортовой силовой установки. Но если на Титане дрон может совершать полеты эпизодически, заряжая аккумуляторные батареи от РИТЭГ, то в атмосфере планеты-гиганта дрон должен летать непрерывно. РИТЭГ в принципе, наверное, сможет дать нужное количество тепла для теплового шара, но РИТЭГ с его низким к. п. д. не сможет дать нужное количество электроэнергии для полета аппарата тяжелее воздуха. Нужен более эффективный источник энергии – радиоизотопный двигатель Стирлинга или что-то другое.
И во вторых, экстремально сильные ветра в атмосферах газовых гигантов. “Ураганные ветра” - непозволительно мягкое описание ситуации: в атмосфере Земли просто физически невозможны ветра со скоростью свыше 500 м/с, как в атмосфере Нептуна. Но возможно, как раз это обстоятельство можно обратить на пользу. Темные полосы на диске Юпитера – это зоны мощных восходящих потоков. Прочный планер с развитым AI может держаться в этих восходящих потоках, время от времени ныряя в более глубокие слои атмосферы. Или использовать сдвиг ветра по высотам, как это делают альбатросы над морем.
А если заглянуть еще глубже? У газовых гигантов нет поверхности как таковой. Погружаясь в атмосферу, зонд достигнет глубины, где газ станет суперкритической жидкостью. Сможет ли какой-нибудь земной зонд с прочным корпусом плавать в этом океане суперкритической жидкости? Крайне вряд ли. Плотность горячего океана суперкритической жидкости слишком мала, чтобы аппарат с прочным корпусом смог иметь в ней нейтральную плавучесть.
Вот на Титане – опять же да: плавание в тамошних метановых морях технически вполне возможно. Но это совсем другая тема.

Инфографика

1. Облачный город в атмосфере Венеры. Картинка из интернет-публикации 2007 года A Floating City on Venus.
2. Дрон Dragonfly в представлении разработчиков. Уже реальный проект. Хочется дожить!
3. Тепловой шар из нереализованного проекта TSSM.
4. Еще один концепт-проект - AVIATR.
5. А это отдаленное будущее - колония на Титане с отбывающим куда-то дирижаблем. Картинка с сайта Уолтера Мейерса.