Вертолётик марсохода «Персеверанс» | Perseverance on Mars [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой.
[музыка]
Мы в лаборатории реактивного движения в Пасадене, и сейчас вы увидите первый в мире дрон, который полетит на другой планете, марсианский вертолет.
Идем, вот наш малыш! Обалдеть! Видите вон ту штуку? Отправиться вместе с миссией Марс 2020, чтобы взмыть над красной планетой и приземлиться обратно.
Итак, Mars Copter — это первый активный полет на другой планете. Очуметь! Это именно первый активный полет, потому что в восемьдесят пятом году Советский Союз использовал гелиевые шары для исследования Венеры в рамках миссии Vega 2. Зонда более сорока шести часов передавали данные с высоты 54 километра.
Атмосфера там настолько плотная, что у поверхности давление в 90 раз выше земного. На Марсе наоборот — атмосферы почти нет, всего один процент от земной.
Летать на вертолете в марсианской атмосфере — это как подняться на три с половиной километра над землей. Вы слышали, чтобы вертолет поднимался так высоко? Кажется, рекорд в километрах — 12. Я проверил, ни один вертолет не слетал выше 12 километров. Рекорд и для самолетов почти 26 километров.
Атмосфера на Марсе еще менее плотная. Плотность там равна одному проценту от плотности воздуха в этой комнате. Здесь кубометр воздуха весит килограмм.
Да, тот же объем на Марсе будет весить где-то 15-18 граммов. То есть нужно толкать много воздуха. Да, нужен мощный поток.
И самое простое решение — быстрее вращаются лопасти. Диапазон 2 300-2 900 минут и быстро. Я решил посчитать, насколько это быстро. Я посмотрел среднюю скорость вращения винта вертолета — 500 оборотов в минуту, а значит, Mars Copter должен вращать винт в пять раз быстрее.
Но есть ограничения: нельзя, чтобы кончики лопастей превысили скорость звука. Из ударных волн начнется веселая аэродинамика, трансзвуковые течения и так далее. Нам это не нужно.
Поэтому в расчетах мы закладываем число Маха ниже 0,7 — на 70 процентов от скорости звука. Запас у полетов на Марсе есть преимущество перед земными — гравитации всего 38 процентов.
Несмотря на это, аппарат должен быть очень легким. Придерживаться заданной массы в ходе разработки было очень сложной задачей, каждая деталь здесь на счету. Его общая масса меньше чем килограмм 800. Бухты он легкий, легкий как этот ноутбук!
Глупости из пенопласта, сверху слой углеволокна, каждая по 35 граммов. Ага, да, они тяжелые. 35 граммов — это 6 монеток. Представьте, две лопасти по 35 граммов несут вертолет весом тысяча восемьсот граммов, вращаясь 40 раз в секунду в атмосфере с плотностью меньше одного процента земной.
Сколько он может оставаться в воздухе? Он рассчитан на 90 секунд полета, полторы минуты. Да, для меня это целая вечность.
Он ведь будет летать автономно на другой планете в очень разреженной атмосфере и тоже очень долго. И верно, меня интересовало, почему они не взяли за основу квадрокоптер. Все потому, что на Марсе лопасти должны быть настолько длинными, что он едва ли поместился бы на ривере.
Два соосных винта — самое простое решение. Они эффективнее образуют подъемную силу, когда находятся друг над другом. Нижний ротор получает, как бы сказать, более суженный поток, верхний затягивает воздух и в нижней идет более плотный поток.
Так эффективнее, чем если бы они были отдельно. Но как испытывать вертолет, созданный для Марса, на Земле? Что будет, если попытаться взлететь на этом вертолете здесь на Земле?
Будет очень громко и все. И скорость будет ниже из-за плотной атмосферы. Это как плавать в густом супе. У нас есть камера для испытаний и симулятор космоса 8 на 8 метров, и там можно воссоздать любое давление — хоть марсианское, хоть земное, какое угодно.
Но это одна часть проблемы — аэродинамическое. Другой вопрос — гравитация. Нам нужно было создать гравитацию Марса на Земле. Мы решили применить гравитационную разгрузку. Это попросту значит, что вертолет подтягивали вверх, чтобы он поднимал только 38 процентов своей массы — прямо как на Марсе.
Мы использовали хай-тек катушку, щеточный двигатель постоянного тока, датчик крутящего момента и блок, закрепленный высоко под потолком, который тянул вертолет за рыболовную леску с нужной силой. Так мы получили низкую гравитацию.
Просто рыболовная леска? Да, просто леска. Но она же тянется. Я думал, нужно что-то более жесткое, чтобы усилий передавалась сразу же? Да, да, мы тестировали разные марки, чтобы найти нужную жесткость. Какой звук он издает?
Я думал, что в такой разреженной атмосфере звук вертолета будет негромким. Да, плотность низкая, но все равно громко, правда? Да, у нас есть запись.
Это похоже на такой звук, типа того. [музыка]
Когда мы включили систему гравитационной разгрузки и откачали воздух, вертолет по сути оказался на Марсе, в тех же условиях.
Как вы меняете направление движения в полете у вертолета? Можно управлять общим и циклическим шагом лопасти. Общий шаг изменяет угол наклона всех лопастей одновременно, то есть лопасти вращаются и каждая меняет угол атаки.
Угол атаки увеличивает подъемную силу. Вертикальное управление: сильнее наклон — поднимайтесь, слабее — опускайтесь. А ещё есть циклический шаг. Он меняет наклон лопасти по мере того, как она проходит по кругу.
Здесь будет больше угол, тут уже меньше. Итак, снова и снова. Таким образом, получается асимметричная тяга, где сильнее наклон — сильнее и тяга. На самом деле, из-за гироскопических эффектов тяга появится немного дальше по вращению.
Из-за асимметричной тяги аппарат наклоняется вперед, назад, вправо или влево. Если держать его стабильно, вектор тяги получит горизонтальный компонент в направлении наклона. Ту сторону вы летите.
Я слышал, вы сначала пытались управлять им с помощью джойстика? Да, на прототипе им очень сложно джойстиком управлять, даже с Марса почти невозможно. Все из-за того, что из-за аэродинамики, когда ты хочешь сделать крен влево, потому что тебя заносит вправо.
Между командой и тем, как аппарат накренится, проходит время. Из-за этой задержки человеку очень сложно пилотировать. Им нельзя управлять с Земли. Задержка 20 минут. Ему нужно отправлять сразу программу действий.
Иными словами, нажимаешь кнопку, и только через 20 минут ты узнаешь, что он взлетел и все сделал. Да, он может летать автономно благодаря встроенным гироскопам, акселерометрам, а также камере, еще высотомеру и датчику наклона.
Они все будут работать в реальном времени, снимать поверхность, замерять скорость и положение летательного аппарата. Оценка состояния в реальном времени производится непрерывно, чтобы вы понимали.
Это сотни герц, данные постоянно поступают в систему обратной связи, чтобы корректировать наклон лопасти согласно полученным данным. Таким образом, меняя угол лопасти и контролируя полет, возможно, вы видели видео наших так называемых успешных полетов, когда вертолет как будто бы без труда поднимается, зависает и садится обратно.
Хотя лопасти и все остальное работает на пределе. Со стороны это просто не видно. Да, лопасти постоянно саморегулируются. Потрясающе!
А как он справится с легким ветерком? В фильмах часто показывают пылевые бури, ужасные свирепые бури на Марсе. На самом же деле, в столь разреженной атмосфере вас практически не сдувает.
Поэтому там сложно взлететь, верно? Ясно. Мы можем взлететь, но винт должен вращаться со скоростью 2200 оборотов в минуту минимум.
Мы соорудили аэродинамическую трубу в камере для испытаний. Сколько вентиляторов? 960, кажется. Шума было как от самолета. Мы поставили их стеной, и в такую решетку стенки туннелю даже не нужны.
Поэтому поток воздуха получается направленный. Мы теперь знаем, что он выдерживает полет на 11 метров в секунду этот вертолетик.
Если бы я знал, что мне придется строить аэродинамическую трубу, я бы, наверное, не взялся за проект. Сколько он заряжается? На это уходит день полный марсианский.
Ясно, то есть один перелет в день? Теоретически, да, такой план. Какая емкость аккумулятора? От 35 до 40 ватт-часов. Всего это три батарейки для смартфона.
И что интересно, основная энергия уходит не на полет. Он должен выдерживать низкие ночные температуры от минус 80 до минус 100. Аккумулятор постоянно обогреваются, и мы облепили его электроникой, чтобы она тоже грелась.
Примерно две трети энергии будет уходить на обогрев и разогрев элементов, и одна треть остается на сам полет. Там есть тепловая изоляция? Да, посмотрите. Сверху установлена солнечная батарея с антенной, ниже находится винтокрыла.
А внизу Cut, он же фюзеляж, он полностью открыт, потому что сейчас проходят последние приготовления, и уже почти все готово к установке вертолета на Ровер. Как правило, он закрыт в центре куба. Кольцо из батареи, между батареями и платами, есть свободное пространство.
Видите, мы закроем фюзеляж и наденем специальную обшивку, она будет удерживать внутри углекислый газ. Таким образом, закрыв его, мы используем углекислый газ как изоляционный материал.
Ага, без аэрогеля? Да, без него. Мы думали об этом поначалу. Мы рассматривали аэрогель как изоляционный материал, но оказалось, что углекислый газ как теплоизолятор полностью отвечает требованиям нашей тепловой модели.
Ясно. Угадайте, почему еще мы не использовали аэрогель? Масса. Все это вы знаете. Но прежде чем вертолет испытает на себе все тяготы работы на Марсе, ему нужно туда долететь.
Не будем забывать, что это не простой коптер, а космический. Он должен пережить запуск, стартовую нагрузку, а это больше чем 80, да, из-за вибрационной нагрузки.
Затем последует 7 месяцев космического радиационного фона. И, наконец, после девяти же в марсианской атмосфере аппарат надо еще распаковать. Он же будет на Роллере. Перед тем как он полетит, его манипулятор снимет и поставит на грунт.
Вертолет будет расположен внизу под щитом, поэтому сначала придется проделать несколько кульбитов с помощью пиротехники, чтобы развернуться и выпустить нас на поверхность. Например, в самом конце мы висим, подробно.
Нас удерживает один болт, надо как-то его убрать. Так да, как избавиться от болта на Марсе? Взорвать? Именно! На самом деле, да.
При взрыве деталь резко увеличивается в размере из-за нагрева, и болт просто рвется. Так называемый френды болт. Когда вертолет на поверхности, Ровер отъедет на 100 метров.
У нас стоит таймер на 2 часа, через которые мы просыпаемся, ждем радиосигнал от Ровера. Если мы его получим, значит, все в порядке. База на Ровере посылает сигнал: "Давай, летим!"
Цель первого полета — сделать двойное сэлфи, само собой, сейчас это модно. Отличная задача для первого полета, это точно.
Взлететь, сделать сэлфи. Лучше всего время для полета — 11 часов утра по марсианскому времени. Дело в том, что за ночные часы много энергии уйдет на обогрев электроники.
К 11 часам заряд будет оптимальным, мы будем уверены, что батарея не сядет во время полета, и он не упадет на камни. К этому времени солнце уже встанет, и мы сможем сэкономить на разогреве.
Вторая половина дня тоже не подходит из-за тепла, плотность атмосферы ниже, поднимается ветер. После первых полетов мы поймем, что к чему и потом уже наверняка попробуем взлететь и днем ради эксперимента. Но безопасное время — от 9 до 12.
В чем же цель этой миссии Mars Copter? Прежде всего, демонстрирует технологию. Он призван показать, что полеты на другой планете возможны.
Он будет снимать цветные фото и видео, но его цель не научное открытие. Он поможет инженерам понять, как лучше строить летательные аппараты для будущих миссий.
Представьте, Ровер 30 килограммов несет полезную нагрузку в два килограмма. Маленький аппарат будет исследовать, разведывать дорогу для марсоходов или служит своего рода помощником, принося на базу образцы для более подробного анализа.
Возможно, он будет автономным аппаратом или их будет несколько. Они будут исследовать места, куда не может попасть человек или Ровер, удаленные ледники, скалы и так далее.
Главная задача — получить технические данные, которые помогут проектировать аппараты полета на других планетах. Это новое измерение в изучении космоса.
Вертолет двигается быстрее и может покрыть большее расстояние, чем Ровер. При этом он может делать более детальные снимки, чем спутник на орбите.
Возможно, однажды такие аппараты будут сопровождать Ровер и даже космонавтов в путешествиях по другим мирам.
Переведено и озвучено студией "Вверх Дайвер".