Ingenuity (; ) — беспилотный роботизированный вертолёт НАСА, осуществивший первый в истории полёт на Марсе на собственном двигателе, предназначенном для многократных полётов в атмосфере другого небесного тела. Доставлен на Марс экспедицией «Марс-2020» вместе с марсоходом Perseverance; окончательно выгружен на поверхность планеты . Имя Ingenuity получил в апреле 2020 года. На этапе разработки назывался Mars Helicopter, Mars Helicopter Scout, а его инженерные модели для испытаний на Земле — Earth Copter; неофициально — Terry и Wendy.
Ключевая роль в создании механической основы аппарата (двигатели, винты, фюзеляж, шасси) принадлежит компании AeroVironment, которая сконструировала и построила его в 2013—2018 годах по заказу НАСА. Со своей стороны, Лаборатория реактивного движения (JPL) разработала авионику, написала программы и подобрала сенсоры для закупки в розничной сети COTS. Принят в состав экспедиции «Марс-2020» в статусе «аппарат класса D для демонстрации технологий с целью подтверждения концепции».
На дату запуска НАСА вложило в проект 85 млн долларов США. Для продолжения полётов по завершении «демонстрации технологий» обоснование ассигнований было обновлено, и следующий этап эксплуатации назвали «демонстрация оперативных возможностей» использования вертолётов как вспомогательных средств, в частности, для доразведки трасс, уже намеченных для марсохода. C финансирование Ingenuity регулярно возобновляется на ежемесячной основе; в последний раз его продлили в марте 2022 года ещё по меньшей мере на 6 месяцев.
25 января 2024 года НАСА сообщило о завершении миссии марсианского вертолёта после повреждения в ходе планового полёта.
Описание конструкции аппарата
Несущим элементом конструкции аппарата является мачта, на которой укреплены панель солнечных батарей размером 425×165 мм, колонка соосных винтов (диаметр лопастей 1210 мм) и крестообразная платформа, снизу которой подвешен фюзеляж в форме параллелепипеда размером 195×163×136 мм. К верхним углам каркаса подведены раскосые стойки шасси.
На середину нижнего ребра передней грани фюзеляжа выведена обзорная камера RTE. В обтянутом термозащитной плёнкой «тёплом отсеке» фюзеляжа HWEB размещена авионика. Стойки шасси сопряжены с каркасом через амортизаторы. При наклоне ~45° опоры стойки охватывают квадрат примерно 60×60 см и обеспечивают под днищем фюзеляжа просвет около 13 см.
Средства инерциальной навигации в полёте не обеспечивают достаточную точность измерений, и пройденный маршрут реконструируют на Земле по полётным фотографиям. Местоположение тени вертолёта в кадре, её размеры и форма позволяют приблизительно определить ориентацию аппарата в пространстве в момент съёмки. Солнечная панель (её габариты примерно такие же, как у клавиатуры настольного компьютера) смонтирована вдоль продольной оси вертолёта и самых длинных граней его фюзеляжа. Если она видится на кадре, как самый широкий после лопастей элемент общего контура аппарата, это означает, что вертолёт развёрнут к объективу одним из бортов. Панель, «передняя» и «задняя» грани фюзеляжа примерно равны по ширине, и в проекции фюзеляж перекрываются. На снимках же тень панели сдвигается относительно тени фюзеляжа в зависимости от угла освещения и общего наклона корпуса вертолёта к плоскости грунта. «Передняя» и «задняя» стороны фюзеляжа различаются по «башмачкам» стоек: у задней и правой передней они одинаковы и имеют форму копытец, а левый передний имеет кольцеобразное завершение, верхняя часть которого попадает на левый край фотографий камеры RTE. Антенна на панели солнечной батареи смещена по продольной оси вертолёта от центра мачты к «хвосту», то есть в сторону, противоположную «колечку» на левой передней стойке шасси.
Вертолёт соосной схемы аэродинамически симметричен и может с равным успехом двигаться любой стороной фюзеляжа вперёд. Первая проба движения «боком вперёд» с одновременной съёмкой на цветную камеру была сделана в 6-м рейсе; в 11-м вертолёт развернулся на 180° и весь путь прошёл «задним ходом», а в режиме облёта по многозвенной трассе Ingenuity доставил фотоматериалы из 10-го и 26-го рейсов.
Особенности полётов на Марсе
Основные природные факторы +ПараметрЕдиницыизмеренияЗемля(N2 + O2)Марс(N2 + CO2)Плотность атмосферы, ρкг/м³1,2250,017Средняя температура, T℃+15Динамическая вязкость, μNs/м²0,00001750,0000113Скорость звука, αм/с340,3233,1 Все небесные тела, окружённые газовой оболочкой, имеют единую физическую предпосылку воздухоплавания — закон Бернулли о подъёмной силе, препятствующей свободному падению движущегося летательного аппарата. Возможность её реализации на каждом небесном теле зависит от характеристик его воздушной среды и силы тяжести, которую предстоит преодолеть. Для Земли и Марса эти параметры таковы:
Различны и критерии подобия, используемые в таких противопоставлениях: число Маха (M) и число Рейнольдса. Существенно влияют на подъёмную силу давление, плотность и вязкость атмосферы. Давление растёт на протяжении ночи. Достигнув предутреннего максимума, с восходом Солнца и нагревом воздуха оно начинает падать до наступления сумерек. Амплитуда его суточных колебаний в начале 300-х солов составляла 700÷780 Па. Для взлёта Ingenuity необходимо 20-30 % превышения тягового усилия над взлётным весом. В первые месяцы плотность воздуха 0,0145 кг/м³ обеспечивала 30 %. При падении плотности до 0,012 кг/м³ прирост тяги снижается до 8 % и аппарат попадает в аэродинамический застой, когда наращивание оборотов уже не приводит к взлёту. С сентября 2021 по апрель 2022 года сезонное снижение плотности воздуха преодолевалось форсированием оборотов с 2537 до 2800 об./мин
На Марсе пылевые бури регулярно охватывают значительные области, а иногда (например, в 2001, 2007 и 2018 году) и всю планету. За марсианский год может подняться несколько региональных бурь, чаще всего осенью или зимой. На протяжении 2022-го земного года их было три, причём первая из них поднялась ещё до окончания лета. Осень на Марсе наступила , а уже в первые дни января пыль окутала Сырт — область, которой принадлежит Езеро. Атмосферное давление упало на 7 % (запылённый воздух прогревается быстрее), а энергоотдача солнечной панели — на 18 %. В результате 19-й рейс был отложен «по неблагоприятным метеоусловиям» (): привычная на Земле формулировка была впервые вписана в журнал инопланетных полётов.
По мере похолодания расход энергии на обогрев рос, а её поступление от солнечных батарей падало из-за снижения инсоляции и особенно при пылевых бурях. На пике зимних холодов заложенный на первые полёты 30 % резерв энергии исчерпался. По совокупности этих факторов время старта менялось от сезона к сезону. При планировании экспедиции стартовать предполагали в 11 часов местного времени при плотности 0,016÷0,0175 кг/м³. По прибытии на Марс время стартов было сдвинуто на 1÷1,5 часа вперёд, и вплоть до февраля 2022 года Ingenuity обычно взлетал после полудня. С марта 2022 года в порядке дальнейшей оптимизации графика подзарядки старты перенесли на 10 часов утра, а в августе на 16 часов.
Управление аппаратом и навигация на Марсе
Пока проблема высадки человека на другие планеты не решена, работа с доставленными туда аппаратами возможна только в режиме программируемого дистанционного управления. Выслав планетоходу (планетолёту) программу его движения, Земля получает отчётную телеметрию с задержкой, продолжительность которой зависит от удалённости планеты. Значительный эксцентриситет орбиты Марса (ε=0,094 по сравнению с ε=0,017 у Земли) отражается в сильном разбросе показателей времени прохождения сигнала, которое при максимальном удалении планет (2,63 а. е. или более 400 млн км) может достигать 22 минут.
Когда Солнце оказывается между планетами (в конфигурации так называемого «верхнего соединения»), солнечная корона создаёт непреодолимые помехи радиообмену. На эти периоды НАСА устанавливает мораторий на передачу любых команд своим аппаратам на Марсе и на орбитах вокруг него. В соединение 2013 года мораторий продолжался с 4 апреля по 1 мая для марсоходов и с 9 по 26 апреля для спутников MRO и «Марс Одиссей». Для Curiosity, этого «старшего брата» Perseverance, мораторий начался на 240-й сол его экспедиции.
Соединение 2021 года произошло 8 октября в 03:35 UTC (06:35 московского времени). На этот раз НАСА сократило мораторий до 12 дней, между 2 и 14 октября, когда азимут Марса по Солнцу был менее 2°, а для экспедиции Марс-2020 назначило интервал между 28 сентября и 17 октября (217—235 солы). Работа аппаратов экспедиции Марс-2020 в автономном режиме прошла без сбоев. Раз в неделю Perseverance принимал от Ingenuity телеметрию, а по завершении моратория её ретранслировали на Землю. Марсоход возобновил движение на 237-й сол, а вертолёт, проведя в 236—240 солы прокрутки винтов в форсированном режиме, осуществил в 241-й сол пробный 14-й полёт-подскок.
Воздушная навигация необходима на других планетах в полном наборе инструментов определения навигационных элементов (высота, скорость курс и т. п.) и приёмов коррекции маршрута. Однако «земные» способы определения местоположения воздушного судна в пространстве для Марса не подходят: слабость и неустойчивость магнитного поля не позволяет использовать компас, а обычные гироскопические приборы и средства ориентации по Солнцу превышают грузоподъёмность марсолёта. Метеосводки JPL получает от бортовой метеостанции Perseverance MEDA. Большинство рейсов Ingenuity проходили при ветрах 4-6 м/с; по косвенным данным об осцилляциях в полёте сила ветра возрастает с высотой.
Полётная программа вертолёта опирается исключительно на показания датчиков инерциальной навигации и визуальной одометрии. Перед взлётом оба акселерометра Bosch проходят калибровку: трёхосевой инклинометр Murata сообщает текущий наклон днища фюзеляжа к идеальной поверхности, чтобы выстроить истинную вертикаль для всего полёта. В полёте крен и тангаж выводятся пересчётом данных по ускорениям от акселерометров; — «это разновидность счисления места при навигации, когда расстояние измеряется пройденными шагами». Низкая точность устройств инерциальной навигации на микроэлектромеханических схемах (MEMS) требует производить пересчёт для сброса накапливающихся ошибок.
Нюанс привязки к вертикали для такой корректировки состоит в том, что лидар может создавать независимую систему координат только на Земле, где Lidar Lite v3 монтируется на рамку дистанционного включаемого гироскопа, в то время как на Марсе он был жёстко вмонтирован в фюзеляж, как и инклинометры. Кроме того лидар неприменим над рельефом с обилием деталей, отражающих сканирующий луч в произвольных направлениях (гряды, валуны и др.). Автопилотирование предполагает, что бортовой компьютер преобразует замеры инерциальных датчиков в команды на изменение параметров лопастей, в том числе для физического удержания высоты. Демонстрационные полёты исходили из постулата «плоской ровной поверхности без наклона», и таких алгоритмов для полётного ПО написано не было. Перепрошивка накануне 9-го рейса имела характер заплатки, и только к ноябрю 2022 года вертолёт получил полётную программу, позволяющую принимать корректировки по мере исполнения. В этой же версии ПО было реализовано взаимодействие с цифровой моделью рельефа местности DTM (Digital Terrain Model, которую Геологическая служба США (USGS) разработала к экспедиции Марс-2020.