В небесах чужих миров. Беспилотник для Марса - реальна ли задача?

Запустив в марсианскую атмосферу дрон, можно охватить взглядом гораздо большую площадь, чем с наземного вездехода. Но сконструировать такой аппарат - задача огромной сложности.

19 апреля 2021 года крошечный экспериментальный вертолет под названием "Индженьюити" оторвался от поверхности Марса и тем самым вошел в учебники истории.

Винты яростно перемалывали разреженную атмосферу, чтобы создать достаточную подъемную силу. "Индженьюити" взлетел на высоту крыши одноэтажного дома, немного переместился по горизонтали и благополучно сел.

Это был первый управляемый полет созданного человеком устройства на другой планете.

Место, где все случилось, назвали Полем Братьев Райт в честь американских изобретателей, создавших в 1903 году первый действующий аэроплан.

В середине 2030-х годов дело "Индженьюити" продолжит "Драгонфлай" - винтокрылый аппарат величиной с легковой автомобиль. Космический корабль доставит его на Титан, спутник Сатурна - самый крупный в Солнечной системе, примерно равный по размеру Земле, и единственный, имеющий атмосферу, которая состоит главным образом из метана.

"Драгонфлай" отлетит от места посадки на расстояние, значительно превышающее то, которое способен преодолеть вездеход, в течение одного местного дня, равного 16 земным суткам, выполнит там программу исследований и направится в следующее место.

Но самые большие перспективы и самые большие сложности для внеземной авиации создает Венера с ее адской жарой и высокой плотностью насыщенной кислотами атмосферы. Ни одно земное устройство пока не продержалось на ее покрытой истрескавшимся сланцем поверхности больше 127 минут.

Исследователи предлагают отправить на Венеру два летательных аппарата. Один, планер на солнечных батареях, будет неопределенно долго скользить в верхних слоях тамошней атмосферы, где условия более или менее щадящие. Другой, сконструированный по принципу летающего крыла, станет действовать ближе к поверхности.

"Разработать технологии посадки на Венеру сложно, - говорит занимающийся этой проблемой доктор Элдар Ное Добриа из Института планетологии в Калифорнии. - Единственный вариант - пролететь сквозь ее атмосферу".

Техническая революция

Робототехник Тедди Занетос из лаборатории реактивного движения в Пасадене, возглавлявший команду создателей "Индженьюити", работает над следующим поколением марсианских вертолетов.

"Мы знаем, что принес человечеству на Земле первый полет братьев Райт. Думаю, то же произойдет и на других планетах", - говорит он.

"Сравнение с братьями Райт не приходило мне в голову, но "Драгонфлай", безусловно, шаг вперед в сравнении с первым полетом "Индженьюити", - говорит Элизабет Тертл, ведущий исследователь лаборатории прикладной физики университета Джона Хопкинса. - Это будет первый [внеземной] воздушный корабль, оснащенный научной аппаратурой и переносящий ее с места на место".

Инженеры НАСА уверены, что авиация совершит революцию в изучении других планет - так же, как сто лет назад она в корне изменила полярные исследования. Космические корабли наподобие знаменитых "Викингов" и "Кьюриосити", опустившихся на поверхность Марса, и "Кассини", облетевшего Титан, продолжат играть ключевую роль, но имеются и другие возможности.

Управляемые автоматические дирижабли, вертолеты, дроны и даже надувные самолеты с пропеллерами (всё это предложения специалистов НАСА) смогут быстро получать высококачественные данные о больших участках планет, избегать опасных мест, делать снимки в разрешении, недоступном для орбитальной аппаратуры, и видеть объекты под разными углами.

Они проникнут туда, где не проедет вездеход - например, в горные районы или на негостеприимную поверхность Венеры.

Проблема для НАСА состоит в том, что требуются разные устройства, каждое со своей грузоподъемностью и возможностями, диктуемыми уникальными условиями каждой планеты. Существующие технологии также задают определенные рамки.

Создатель ракеты-носителя "Сатурн 5" Вернер фон Браун предполагал, что люди будут высаживаться на Марсе при помощи сверхзвуковых планирующих глайдеров. В книгах фантаста Филиппа Дика марсианские колонисты летали на вертолетах.

Разработки воздушных судов для Марса, которыми НАСА занялось после экспедиции "Викингов" в 1970-х годах, легли в основу боевого беспилотника "Предатор", доныне используемого американскими военными.

Плотность атмосферы на Марсе составляет менее одного процента земной. Чтобы взлететь, марсианский вертолет должен быть исключительно легким, но при этом нести ионно-литиевые батареи, датчики и камеры, систему обогрева и теплоизоляции для долгих и морозных ночей.

"Сумейте все это совместить и построить вертолет весом меньше четырех унций [1,8 кг] - получите "Индженьюити"," - говорит Тедди Занетос.

"Наш главный инженер и члены группы задумались о марсианском вертолете еще в 1990-х годах, но тогда еще не было нужных технологий. После 2010 года они появились, и мы сделали демонстрационный экземпляр".

В ходе работы рассматривалась идея сделать не вертолет, а самолет, но от нее отказались, чтобы обойтись без взлетной полосы.

У НАСА имеется девять степеней готовности новых технологий, от первой ("определены и обсуждены базовые принципы") до девятой ("техника проверена в полевых условиях").

В 1990-х только-только появились батареи того типа, что используется для энергопитания "Индженьюити", и немногие осознавали перспективность новых материалов, таких как углеродное волокно.

Легкие приборы и компьютерные программы для управления полетом еще предстояло создать, так же как и соответствующие людские навыки.

Теперь, спустя 20 с лишним лет, другое дело. На Земле беспилотники доставляют посылки и вакцины, используются для наблюдений за полями и аэрофотосъемки археологических раскопов.

"Чтобы сделать возможным создание "Индженьюити", многие технологические новинки должны были сойтись воедино в нужный момент", - комментирует Занетос.

Мини-вертолет завершил испытания и остается в рабочем состоянии. "Пока наша цель - доказать, что полеты на Марсе в принципе возможны, - говорит Занетос. - Мы сделали это уже 19 раз. Основной вклад в будущее состоит в том, чтобы "Индженьюити" продолжил летать как можно дольше. Каждый успешный полет приносит бесценную техническую информацию, которую мы используем при создании машин нового поколения".

По его словам, команда специалистов заранее продумывает конструкцию вертолета с большей грузоподъемностью и дальностью: "Когда НАСА спросит, мы хотим иметь возможность предложить готовые ответы".

Низкая гравитация и плотная атмосфера

Титан - полная противоположность Марсу. Гигантская луна покрыта льдом, под которым кроется океан, занимающий всю ее поверхность. Там чудовищно холодно и идут метановые дожди.

Предполагается, что атмосферу Титана будут исследовать автоматические летающие зонды, а толщу океана - субмарины.

"Титан - просто идеальное место для летательных аппаратов тяжелее воздуха", - говорит Мелисса Трейнер, заместитель руководителя исследовательской группы по подготовке миссии "Драгонфлай".

Там низкая гравитация и плотная атмосфера, а значит, самолеты и вертолеты могут быть больше и тяжелее, чем на Марсе.

Благодаря природным условиям на Титане, "Драгонфлай" сможет нести разработанную НАСА мощную атомную батарею, которую предстоит испытать в деле, компьютерное оборудование и крепкие лыжи для посадки на жесткие поверхности.

Имеющиеся в наличии карты Титана недостаточно подробны. Вертолет будет наделен способностью оценить сверху намеченное место приземления и пропустить его, если оно окажется неподходящим.

"Драгонфлай" в полете будет составлять собственную карту Титана. Такие "лягушачьи прыжки" - наименее опасный вариант", - замечает Мелисса Трейнер.

В одном смысле Марс имеет преимущество перед Титаном. Многочисленные спутники, некоторые из которых находятся на его орбите десятки лет, могут осуществлять разведку в интересах "Индженьюити" и служить ретрансляторами. "Драгонфлай" должен будет разбираться на месте своими силами и самостоятельно поддерживать связь с Землей.

На обмен сигналами между Марсом и Землей, включая анализ полученной информации и выдачу команд, нужно менее суток. В случае Титана это будет занимать гораздо больше времени.

Экстремальные условия

Следующая экспедиция с использованием беспилотника планируется на сестру Земли, Венеру. Атмосфера там в 90 раз плотнее нашей, температура составляет +475 градусов Цельсия, а давление 93 бара, что примерно соответствует полуторакилометровой глубине океана.

"Венерианская атмосфера одновременно ужасна и замечательна, - говорит Элдар Добриа. - В промежутке между 50 и 70 км от поверхности планеты лежит 20-километровый слой сплошных облаков. Самолет на солнечных батареях может летать над ним практически бесконечно, и для этого достаточно имеющихся технологий".

Одно плохо - сквозь облака ничего не видно.

Второй концептуальный аппарат должен перемещаться под облаками, и это сложнейшая задача, подчеркивает Добриа. Причиной тому жара, давление и отсутствие солнечного света для подзарядки батарей.

Беспилотник предполагается оснастить разновидностью двигателя Стирлинга, преобразующего внешнее тепло в электричество. Это один из немногих летательных аппаратов в истории, движимых таким мотором.

Старые добрые аэростаты

Есть еще один вариант - воздушный шар.

Именно он совершил первый полет во внеземной атмосфере. В июне 1985 года советско-европейский космический зонд "Вега" выпустил над Венерой два больших надувных шара. Исследовательское оборудование находилось в подвешенных к ним гондолах.

"Мы знали, что были сброшены два шара, но не знали, уцелели ли они, - рассказывает Роберт Престон, руководитель американской программы по их поиску. - Все, что мы видели на экране осциллографа, - шум и ничего кроме шума. И вдруг послышался исчезающе слабый сигнал".

"Я помню, как вышел из лаборатории, увидел в утреннем небе яркую Венеру и подумал: "Он там, а с ним и я!"

Запущенные "Вегой" воздушные шары дрейфовали на высоте 54 км и передавали данные о венерианской атмосфере 46 часов. "Их миссию следует признать исключительно успешной", - считает историк освоения космоса и автор книги "Посланцы Земли" Джей Гэллантайн.

"Я не сомневаюсь, что в будущем на Марсе снова появится летательный аппарат, - говорит Тедди Занетос. - "Индженьюити" стал новым инструментом в нашем наборе. То, что мы узнали благодаря ему, поможет следующим поколениям исследователей изучать не только Марс, но и другие планеты, возможно, даже за пределами нашей Солнечной системы".

Человечество там ждут новые тяжелейшие вызовы, замечает Джонатан Саудер из лаборатории НАСА в Пасадене. "Вне Солнечной системы существуют совершенно безумные планеты. Одни целиком состоят из льда, у других в атмосфере металлы. Любой предмет, который мы сегодня в состоянии себе вообразить, погибнет немедленно. Но есть и миры, более или менее похожие на Землю".

Однако законы физики везде одинаковы. "Уроки, полученные в ходе пилотирования летающих автоматов на планетах нашей системы - кирпичики в здание будущих полетов", - утверждает Занетос.

Вездеход для Венеры

Джонатан Саудер занят созданием спускаемого аппарата, способного выжить на Венере, изначально названного AREE (аббревиатура английских слов "автоматический вездеход для экстремальных сред").

Возможно, разработанные для него механизмы в один прекрасный день появятся на аппаратах, которые обследуют Меркурий, бездонные океаны на газовых гигантах (Юпитере и Сатурне) и земные недра.

"Когда речь заходит о постройке спускаемого аппарата для Венеры, многие материалы, традиционно используемые в космонавтике, не подходят", - рассказывает Саудер.

Сильное давление вжимает молекулы атмосферной кислоты в любые вещества, кроме нержавеющий стали и титана, а высокая температура плавит электронику.

Что предлагает Саудер? "Давайте сделаем механического робота, автомат в стиле стимпанк [жанр научной фантастики]", - говорит он.

Один из вариантов венерианского вездехода даже имел не колеса, а ноги, напоминая огромные шагающие скульптуры голландского художника Тео Янсена, приводимые в движение силой ветра.

Чтобы обнаруживать и объезжать препятствия, робот снабжен катками и бамперами. Встретив преграду, он попятится и слегка изменит направление, как современные детские игрушки.

"Возможно, это не самая эффективная система, зато прочная, надежная и подходящая для такой внешней среды", - замечает Саудер.

С электронным оборудованием всё ещё сложнее. Решили обойтись простейшими приборами, способными выдерживать высокую температуру. Они смогут замерять ее, определять химический состав веществ и передавать данные на орбитальный корабль.

В итоге аппарат переименовали в HAR-V ("гибридный автоматический вездеход для Венеры").

А есть еще проблема энергопитания. Солнечные батареи не годятся, потому что небо на Венере всегда закрыто облаками и ночь длится 60 земных суток. Взамен инженеры НАСА решили воспользоваться энергией ветра для приведения в действие механических частей аппарата. Видеокамеры и химические сенсоры для него еще предстоит создать.

Шансы, что именно HAR-V в конце концов опустится на поверхность Венеры, невелики, зато более чем вероятно, что сделанные наработки повлияют на окончательную конструкцию венерианского транспорта.

"Я не сомневаюсь, что на Венере рано или поздно появятся вездеходы и что они вберут в себя многие наши наработки", - говорит Джонатан Саудер.