Zmienią sposób badania Marsa. Powstaje flota latających zwiadowców

NASA właśnie sprawdziła, jak daleko można przesunąć granice latania tam, gdzie powietrza prawie nie ma. Przyszłe misje na Marsie będą już nie tylko jeździć po czerwonym pyle, ale także regularnie przeczesywać planetę z powietrza.

NASA właśnie sprawdziła, jak daleko można przesunąć granice lotu w marsjańskiej atmosferze. W specjalnej komorze testowej w Jet Propulsion Laboratory w Kalifornii wirniki przyszłych marsjańskich śmigłowców rozpędzono tak bardzo, iż końcówki łopat przekroczyły prędkość dźwięku.

To nie tylko efektowna ciekawostka z laboratorium, ale bardzo konkretna zapowiedź tego, jak będzie wyglądać następna epoka eksploracji Marsa. Nie tylko koła łazików, ale także flota latających robotów z instrumentami naukowymi na pokładzie.

Ingenuity był początkiem. Teraz NASA chce znacznie więcej

Kiedy 19 kwietnia 2021 r. mały śmigłowiec Ingenuity oderwał się od powierzchni Marsa, NASA udowodniła coś wręcz nieprawdopodobnego. Można latać na innej planecie. Można to robić w atmosferze, która jest niemal pustką w porównaniu z ziemskim powietrzem. Można też sterować takim lotem z odległości dziesiątek milionów kilometrów.

Ingenuity był jednak przede wszystkim demonstratorem technologii. Nie miał na pokładzie rozbudowanych instrumentów naukowych, nie był projektowany jako pełnoprawna latająca platforma badawcza. Miał pokazać, iż lot kontrolowany na Marsie w ogóle jest możliwy. Zrobił to z nawiązką, wykonując 72 loty, zanim jego misja została zakończona po uszkodzeniu łopat wirnika w styczniu 2024 r.

Teraz NASA chce zrobić kolejny krok. Następne marsjańskie śmigłowce mają nie tylko latać, ale też przenosić czujniki, instrumenty naukowe, większe akumulatory i wyposażenie przydatne przy planowaniu przyszłych misji robotycznych oraz załogowych. Problem w tym, iż Mars nie ułatwia zadania.

Więcej na Spider’s Web:

Na Marsie śmigłowiec musi walczyć

Ziemski śmigłowiec ma do dyspozycji gęstą atmosferę. Łopaty wirnika przecinają powietrze, odpychają je i wytwarzają siłę nośną. Na Marsie sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Atmosfera Czerwonej Planety ma zaledwie około 1 proc. gęstości ziemskiej atmosfery. Łopaty mają więc znacznie mniej cząsteczek gazu, od których mogą się odepchnąć.

Jednocześnie Mars przez cały czas ma grawitację. Słabszą niż Ziemia, ale wystarczająco dużą, by każdy dodatkowy gram ładunku miał znaczenie. To dlatego marsjański helikopter musi mieć lekką konstrukcję, duże lub bardzo gwałtownie obracające się wirniki i zapas mocy, który pozwala unieść maszynę w środowisku nieprzyjaznym dla klasycznego lotnictwa.

Na Ziemi zwiększenie siły nośnej można osiągnąć przez większy wirnik albo szybsze obroty. Na Marsie ta zasada przez cały czas obowiązuje, ale trzeba ją stosować znacznie agresywniej. Im rzadsza atmosfera, tym bardziej trzeba zbliżyć końcówki łopat do granicy prędkości dźwięku. A to jest wyzwanie.

Bariera dźwięku brzmi groźniej, niż wygląda

Przekroczenie Mach 1 oznacza, iż obiekt porusza się szybciej niż lokalna prędkość dźwięku. Na Ziemi przy poziomie morza to około 1223 km/h. Na Marsie prędkość dźwięku jest niższa, mniej więcej 869 km/h, bo atmosfera jest zimna, rzadka i zdominowana przez dwutlenek węgla. Dla wirnika oznacza to, iż końcówki łopat mogą wejść w zakres zjawisk naddźwiękowych wcześniej, niż podpowiadałaby ziemska intuicja.

Inżynier Jaakko Karras dokonuje inspekcji łopaty wirnika marsjańskiego helikoptera nowej generacji przed przeprowadzeniem testów przy prędkościach naddźwiękowych w symulatorze kosmicznym w Jet Propulsion Laboratory. Fot. NASA/JPL-Caltech

To właśnie dlatego zespół Ingenuity trzymał się bezpiecznego marginesu. Podczas lotów na Marsie nie dopuszczano, by kompozytowe łopaty wirnika przekraczały 2700 obr./min. Chodziło zarówno o uniknięcie nieprzewidywalnych zjawisk aerodynamicznych w pobliżu bariery dźwięku, jak i o zachowanie rezerwy na wypadek marsjańskiego wiatru, na przykład podmuchu związanego z pyłowym wirem.

W przypadku nowych konstrukcji taki margines przestaje jednak wystarczać. jeżeli marsjańskie śmigłowce mają zabierać większy ładunek, muszą generować więcej siły nośnej. A to oznacza, iż wirniki trzeba rozpędzić szybciej.

NASA zamknęła Marsa w komorze i rozpędziła wirniki

Testy przeprowadzono w historycznej komorze 25-Foot Space Simulator w Jet Propulsion Laboratory w południowej Kalifornii. To nie jest zwykły tunel aerodynamiczny, ale obiekt, w którym można odtworzyć warunki zbliżone do tych panujących na innych planetach. Inżynierowie usunęli powietrze z komory, zastąpili je odpowiednią ilością dwutlenku węgla i uzyskali środowisko odpowiadające marsjańskiej atmosferze.

W środku zamontowano trójłopatowy wirnik opracowany z myślą o przyszłych marsjańskich śmigłowcach. Łopaty powstały przy udziale firmy AeroVironment, która od lat współpracuje z NASA przy koncepcjach lekkich maszyn latających na Marsie. Zespół wykonał łącznie 137 testów, stopniowo zwiększając prędkość obrotową i symulując podmuchy czołowego wiatru.

Inżynierowie zabezpieczyli komorę metalowymi panelami, zakładając, iż łopaty mogą nie przetrwać eksperymentu. To pokazuje skalę ryzyka. W pobliżu Mach 1 przepływ wokół łopaty zaczyna zachowywać się inaczej, pojawiają się fale uderzeniowe, drgania i obciążenia, które mogą skończyć się uszkodzeniem konstrukcji. Tym razem jednak łopaty wytrzymały.

Jak wyglądały takie teksty, a przede wszystkim jak brzmią łopaty przyszłego marsjańskiego helikoptera, zobaczyć możecie na filmie niżej. Warto włączyć dźwięk.

Mach 1,08 i 30 proc. więcej siły nośnej

Najważniejszy wynik testów jest optymistyczny. Końcówki łopat rozpędzono do Mach 1,08. To oznacza, iż przekroczyły lokalną prędkość dźwięku w warunkach odpowiadających marsjańskiej atmosferze. Według NASA przełożyło się to na wzrost możliwości generowania siły nośnej o około 30 proc.

W praktyce to ogromna różnica. Dodatkowa siła nośna oznacza, iż przyszły marsjański helikopter może zabrać na pokład nie tylko kamery, ale też bardziej zaawansowane sensory, instrumenty geologiczne, większe baterie albo sprzęt do rozpoznania terenu przed misjami załogowymi. Marsjański dron przestaje być wtedy dodatkiem do łazika, a zaczyna być samodzielnym narzędziem eksploracji.

NASA sprawdziła także dwulopatowy wirnik związany z projektem SkyFall. Ponieważ był nieco dłuższy od wersji trójłopatowej, do osiągnięcia podobnych prędkości na końcówkach łopat wystarczyło około 3570 obr./min. To ważna informacja dla projektantów, bo pokazuje, iż różne konfiguracje wirników mogą dawać podobne efekty, ale przy innym obciążeniu układu napędowego.

SkyFall, czyli śmigłowce, które mają spaść na Marsa

Najciekawszym kontekstem tych testów jest projekt SkyFall. NASA i AeroVironment rozwijają koncepcję misji, w której na Marsa trafią trzy nowej generacji śmigłowce. Według założeń mają zostać wysłane w kierunku Czerwonej Planety w grudniu 2028 r.

W pierwotnej koncepcji AeroVironment zakładano, iż śmigłowce zostaną wypuszczone podczas opadania kapsuły w atmosferze Marsa i samodzielnie dolecą do miejsc lądowania, eliminując potrzebę klasycznej platformy lądownika. To ambitne podejście, bo lądowanie na Marsie należy do najtrudniejszych etapów każdej misji. Mniej sprzętu na powierzchni może oznaczać mniejszą masę, prostszą architekturę misji i potencjalnie większą elastyczność.

Nie chodzi jednak tylko o efektowny sposób dostarczenia maszyn. Latające roboty mogą badać teren, do którego łaziki nigdy nie dotrą albo dotrą po wielu miesiącach. Mogą zajrzeć za krawędź kanionu, przelecieć nad rumowiskiem, sprawdzić stoki, kratery, pola wydm i potencjalne miejsca przyszłego lądowania ludzi. Z perspektywy planowania misji załogowych to bezcenne.

Mars z powietrza może zmienić sposób eksploracji planety

Łaziki marsjańskie są genialnymi maszynami, ale mają ograniczenia. Jadą powoli, muszą omijać przeszkody i są uzależnione od tego, co widzą z poziomu gruntu. Orbiter widzi ogromne obszary, ale z dużej wysokości. Śmigłowiec wypełnia lukę między tymi światami. Może lecieć nisko, gwałtownie zmieniać pozycję i dostarczać danych z perspektywy, której dotąd na Marsie prawie nie mieliśmy.

To właśnie dlatego następcy Ingenuity są tak ważni. Pierwszy marsjański helikopter udowodnił, iż lot jest możliwy. Nowa generacja ma udowodnić, iż lot może być użyteczny naukowo. Różnica jest zasadnicza. Demonstrator technologii zamienia się w narzędzie pracy.

Testy naddźwiękowych końcówek łopat nie oznaczają, iż przyszłe maszyny będą latać jak odrzutowce. Oznaczają coś innego. NASA znalazła sposób, by wycisnąć więcej z wirników w atmosferze, która prawie nie istnieje. To może zdecydować o tym, czy marsjańskie śmigłowce będą lekkimi zwiadowcami, czy pełnoprawnymi platformami badawczymi.

Następny rozdział po Ingenuity właśnie się zaczyna

Największe znaczenie tych prób polega na tym, iż NASA przestaje pytać, czy da się latać na Marsie. To pytanie zostało już zamknięte. Teraz agencja pyta, jak wysoko, jak daleko, z jakim ładunkiem i w jak trudnych warunkach można to robić.

Przekroczenie Mach 1 przez końcówki łopat w marsjańskich warunkach laboratoryjnych jest krokiem w stronę maszyn, które będą mogły wykonywać zadania niedostępne dla łazików. jeżeli SkyFall i podobne projekty się powiodą, przyszła eksploracja Marsa nie będzie opierała się wyłącznie na powolnej jeździe po czerwonym pyle. Nad planetą mogą pojawić się małe, autonomiczne śmigłowce, które będą przeczesywać teren z powietrza, wybierać cele dla łazików i przygotowywać grunt pod ludzi.

Ingenuity był pierwszym lotem. Następcy mają być pierwszą marsjańską flotą zwiadowczą. I właśnie dlatego test, w którym łopaty wirnika przekroczyły barierę dźwięku, może okazać się jednym z tych małych laboratoryjnych momentów, które po latach zapisuje się jako początek dużej zmiany.