что случилось с марсианским вертолетом
НАСА рассказало про планы на 14-й полёт «Индженьюити», в котором скорость вращения лопастей будет увеличена на 10 %
Вертолет «Индженьюити» на поверхности Марса 5 месяцев назад. Источник фото: бортовая камера на марсоходе «Персеверанс».
Специалисты лаборатории реактивного движения НАСА раскрыли технические подробности 14-ого полёта «Индженьюити», который должен состояться 17 сентября. Марсианский вертолет полностью выполнил программу скаута-разведчика. Сейчас марсоход исследует места, где он пролетал. НАСА собирается провести новые испытания возможностей вертолета и увеличить скорость вращения его лопастей на 10 %.
В сентября плотность атмосферы в кратере Езеро, которая и так была чрезвычайно низкой весной и летом, продолжает падать из-за сезонных колебаний на Марсе. Теперь, чтобы взлететь «Индженьюити» придется буквально поднапрячься.
В предыдущих полетах скорость вращения двух лопастей «Индженьюити» достигла 2 537 оборотов в минуту. Эта скорость позволяла ему летать на Марсе с плотностью атмосферы от 0,0145 до 0,0185 кг/м3, что эквивалентно до 1,2–1,5% плотности атмосферы Земли на уровне моря.
В ближайшие месяцы НАСА ожидает, что плотность атмосферы в районе размещения вертолета составит 0,012 кг/м3 (1,0% плотности на Земле) в дневные часы, которые наиболее предпочтительны для выполнения полета. Это уже проблема, которая существенно влияет на способность «Индженьюити» летать. Вертолет и не был рассчитан на работу в августе и далее при менее плотной атмосфере, но НАСА решило пойти на риск и разогнать его, пока есть возможность и он продолжает стабильно работать.
НАСА спроектировала «Индженьюити» так, что при нижнем расчетном пределе плотности атмосферы (0,0145 кг/м3) запас по тяги вертолета составляет не менее 30%. Эта дополнительная тяга необходима при взлете и подъеме, во время маневров, а также при пересечении местности с переменной высотой.
В ближайшие месяцы плотность атмосферы упадет до 0,012 кг/м3, а запас тяги вертолета снизится до 8%. Фактически при текущих взлетных возможностях «Индженьюити» будет менее управляем и начнет испытывать проблемы со стабилизацией. Ему придется работать почти на уровне аэродинамического сваливания, что может привести к потере аппарата.
Чтобы этого избежать НАСА решило провести тестовый полет «Индженьюити» в режиме увеличенного вращения лопастей. Причем это будет первый в истории запредельный марсианский эксперимент. На Земле НАСА не разгоняло образцы вертолета так сильно.
Технические возможности «Индженьюити» позволяют достигнуть максимальной скорости вращения ротора на уровне 2800 об/мин. НАСА не будет сразу так сильно увеличивать скорость. Сначала вертолет выполнит короткий испытательный полет со скоростью вращения ротора до 2700 об/мин. Во время его выполнения «Индженьюити» всего навсего взлетит на 5 метров, выполнит боковое смещение и совершит посадку. Данные этого полета позволят НАСА понять, как сильно нужно делать запас по тяге и мощности для будущим марсианских вертолетов, чтобы они могли летать там с разной плотностью атмосферы.
Вдобавок НАСА боится, что полет со скоростью вращения ротора около 2800 об/мин в сочетании с ветром и движением вертолета может привести к тому, что кончики лопастей будут рассекать атмосферу со скоростью почти 0,8 Маха, то есть 80% скорости звука на Марсе, которая несколько ниже звука на Земле (244 м/c на Марсе и 330 м/с на Земле). В этом случае начнется процесс резкого увеличения аэродинамического сопротивления и вертолет испытает перегрузку с падением. НАСА не проводила такие тесты на Земле, но теперь займется этим.
Другая потенциальная проблема, которую озвучило НАСА — непонятно, как резонансные колебания на такой скорости повлияют на конструкцию вертолета. Даже в штатном режиме элементы «Индженьюити» испытывают сильные вибрации. Увеличение скорости вращения ротора может привести со временам к повреждению электронного оборудования и ухудшению показаний датчиков, необходимых для системы управления полетом.
НАСА рассчитывает, что небольшие увеличения скорости вращения ротора позволят не так сильно перегрузить системы вертолета, а его элетродвигательная система будет выдавать нужную мощность для полета. Конечно, ему придется летать меньше по времени, но это технические потери, на которые согласны пойти испытатели.
В случае успешного выполнения короткого теста НАСА планирует продолжить полноценные разведывательные полеты «Индженьюити» в ближайшие месяцы, потихоньку увеличивая в каждом полете скорость вращения его лопастей.
В настоящее время марсоход «Персеверанс» выполняет свою основную научную миссию, собирая образцы марсианского грунта, и находится на удалении нескольких сот метров от «Индженьюити». Марсоход уже несколько дней передвигается около мест последних посадок вертолета и проводит исследования некоторых интересных по мнению НАСА каменистых образований региона «Южная Сейта» (South Séítah), которые с высот 8-12 метров сфотографировал «Индженьюити».
На данный момент «Индженьюити» пробыл в рабочем режиме на Марсе в три раза дольше расчетного времени — 203 сола (марсианских суток) на Марсе, как и марсоход «Персеверанс», но 138 солов на поверхности планеты автономно. Вертолет был спроектирован на 30 суток работы в условиях Марса после высадки с марсохода. Оказалось, что его возможности позволяют летать и дольше. НАСА продлило работу «Индженьюити» до конца августа в режиме зонда-разведчика для фиксирования с воздуха возможных препятствий и выбора оптимальных путей движения марсохода. «Индженьюити» пролетел в общем 2881 метр над поверхностью Марса и провел в режиме полета в атмосфере планеты 1468,8 секунд (почти 25 минут). За все полеты «Индженьюити» сделал с помощью своих камер 82 цветных фотографии и более 1,4 тыс. черно-белых фотографий.
Аппаратные системы «Индженьюити» основаны на плате SoC Snapdragon 801. В нем установлен Linux и открытое ПО.
19 апреля «Индженьюити» совершил первый автономный полет, а марсоход сделал и прислал на Землю его видеозапись.
Марсианский вертолёт Ingenuity успешно совершил 16-й полёт на Красной планете
Марсианский вертолёт NASA Ingenuity совершил ещё один, уже 16-й полёт над Красной планетой. Последний полёт аппарата состоялся в воскресенье, 21 ноября, примерно через две недели после предыдущего. Согласно описанию планов полёта, опубликованному 16 ноября, он должен был приблизить Ingenuity к месту, с которого он стартовал в свой первый полёт, получившее название Wright Brothers Field (Поле братьев Райт).
Источник изображения: NASA
Летательный аппарат совершил свой 16-й полёт на Марсе в минувшие выходные, пролетев 116 метров на северо-восток за 109 секунд. Во время полёта он сделал цветные изображения, которые будут опубликованы позже. Первые четыре полёта Ingenuity ещё в апреле начинались и заканчивались на Поле братьев Райт. Миссия не предполагала большего: вертолёт был запущен как демонстрационная миссия, в рамках которой предполагалось совершить всего пять полётов в течение месяца. Но первые полёты вертолёта прошли настолько хорошо, что NASA решило продлить миссию и отправить Ingenuity впереди своего более крупного компаньона, марсохода Perseverance.
Недавние полёты показали, что Ingenuity позволяет исследовать регионы, которые имеют покрытие, затрудняющее передвижение марсохода, но особенно интересуют геологов. Текущая серия полётов Ingenuity — это перелёт обратно к месту посадки Perseverance. Хотя Ingenuity не подаёт признаков износа, перемещение вертолёта стало более трудным во время недавних полётов. По мере того, как сменяются марсианские времена года, атмосфера вокруг Ingenuity становится разрежённой, что вынуждает повышать скорость вращения лопастей вертолёта.
Марсианский вертолет Ingenuity совершил 15-й полет в небе Красной планеты
Разработчики NASA рассчитывали на пять полётов вертолёта Ingenuity над поверхностью Марса, а на данный момент он смог подняться в небо 15-й раз! Отличное инженерное решение и такая же реализация превратили испытательный проект в инструмент для разведки маршрута для планетарного ровера Perseverance. Сейчас Ingenuity движется на встречу марсоходу для совместного продвижения к руслу древней марсианской реки.
Источник изображения: NASA
Совершённый 15-й полёт стал для Ingenuity вторым после двухнедельного перерыва, когда между Землёй и Марсом находилось Солнце. В этом промежутке NASA прекращает управление марсианскими аппаратами, поскольку связь становится ненадёжной. Также 15-й полёт стал вторым в условиях лета на Марсе, когда его и так крайне разреженная атмосфера нагрелась и ещё сильнее уменьшила плотность. Чтобы подняться в воздух в таких условиях вертолёту пришлось увеличить скорость вращения лопастей с 2500 до 2700 об/мин.
Полёт Ingenuity продлился 128,8 секунды на скорости 17,9 км/ч на высоте до 12 метров на дальность 406 метров. По данным NASA, вертолёт долетел до расчётной точки приземления. Точнее определить пока нельзя. Вертолёт изучал местность довольно далеко от места спуска на поверхность и от марсохода в области Южного Сейта (South Séítah). Чтобы вернуться к месту посадки на равнину Братьев Райт вертолёту понадобится от четырёх до семи перелётов.
Источник изображения: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona
Затем Ingenuity вместе с Perseverance проследуют на север вдоль восточного края региона Сейта и затем повернут на запад к предполагаемому руслу древней реки. Это место было главной причиной выбора кратера Езеро для посадки марсохода. Perseverance создан искать признаки жизни на Марсе. Лучшего места, чем русло древней реки придумать для этого сложно.
«Индженьюити» выполнил шестой полет, во время которого чуть не случилась авария
Вертолет «Индженьюити» на посадочной площадке после выполнения шестого полета, в котором он значительно отдалился от марсохода. Фото с бортовой камеры марсохода.
27 мая специалисты лаборатории реактивного движения NASA (Jet Propulsion Laboratory, JPL) сообщили, что марсианский вертолет «Индженьюити» успешно, но с проблемами, выполнил свой шестой полет на дистанцию 215 метров с максимальной высотой 10 метров и скоростью до 4 м/c. Аппарат перебазировался на третье посадочное место, но с ним начались проблемы во время полета — сбоили таймер камеры, система навигации и электропитания. Также он чуть не перевернулся при посадке, отклонения по крену и тангажу перед этой процедурой были более, чем на 20 градусов.
Фото с бортовой камеры «Индженьюити» во время шестого полета, высота 10 метров.
Полетный план шестой миссии включал в себя: пролет 150 метров по прямой на юго-запад, потом движение на юг на 15 метров, 50 метров на северо-восток и посадку на ранее не изученную, но относительно ровную и без больших камней площадку.
НАСА пояснило, что по логам, первая часть полета прошла штатно, но последние 65 метров вертолет скачкообразно менял скорость и раскачивался. Перед посадкой он пытался скомпенсировать свое положение и затратил больше энергии, чем было рассчитано. После посадки оказалось, что он промахнулся на 5 метров от места запланированного приземления.
Специалисты JPL предположили, что произошла какая-то аномалия во время выполнения шестой миссии. Они выяснили, что через 54 секунды полета на «Индженьюити» произошел сбой таймера навигационной камеры, из-за которого система навигации и позиционирования, включая инерциальный измерительный блок IMU, начала некорректно работать. Бортовой компьютер вертолета пытался исправить возникшие фантомные ошибки, что привело к скачкам энергопотребления, а данные с части датчиков обрабатывались с задержкой. В итоге, вертолет смог приземлиться немного пролетев место посадки, но сел без повреждений. Сейчас его бортовые системы в порядке, а НАСА пытается найти причину инцидента с таймером и исправить ситуацию до проведения седьмого полета.
Бортовая система управления вертолета реагирует на его движения, измеряя ускорение и скорость вращения, и выдает управляющие сигналы со скоростью 500 раз в секунду. Эта система также получает данные с навигационной камеры, которая делает 30 снимков в секунду, ставя на них метку времени.
Когда в систему управления поступают изображения с черно-белой камеры, то алгоритм навигационной системы выполняет ряд действий. Во-первых, он проверяет метку времени, которую получает вместе с изображением, чтобы определить, когда было снято изображение. Затем алгоритм делает прогноз о том, что камера должна была видеть в этот конкретный момент времени, с точки зрения особенностей поверхности, которые она может распознать по предыдущим изображениям, сделанным за несколько минут до этого (обычно из-за цветовых вариаций и выступов, таких как камни и рябь на песке). Наконец, алгоритм проверяет, где на самом деле эти элементы появляются на изображении. Алгоритм навигации использует разницу между прогнозируемым и фактическим местоположением этих объектов для корректировки оценок положения, скорости и ориентации вертолета.
НАСА зафиксировало, что через 54 секунды полета произошел сбой в конвейере изображений, передаваемых навигационной камерой, из-за которого произошла потеря одного изображения. Но эта была не проблема, так как 1 кадр не влияет на алгоритм навигации. А вот далее случилась аварийная ситуация — все последующие навигационные изображения стали получать неправильные временные метки из-за предыдущего сбоя. С этого момента каждый раз, когда алгоритм навигации выполнял коррекцию на основе навигационных изображений, он работал на основе неверной информации о том, когда было снято изображение. В результате этого несоответствия начали происходить сбои в управлении вертолетом. Алгоритм пытался исправить ситуацию, так как в нем был заложен обход таких фантомных ошибок, но их было слишком много, больше планируемых — алгоритм мог отбрасывать только некоторые кадры, а не все. Из-за этого начались колебания вертолета, а его траектория стала нестабильной.
НАСА заложило в вертолет большой «запас устойчивости», поэтому его бортовые системы смогли справиться с аварией и посадить аппарат. Ранее пять полетов вертолета после взлета проходили штатно. Также «Индженьюити» повезло, что в алгоритме его посадки происходит отключение использования навигационной камеры и высотомера — вертолет переключается на IMU. Это позволяет аппарату выполнить плавное снижение вертикальной скорости, чтобы предотвратить аварийную посадку. Именно этот момент и помог в шестом полете «Индженьюити» за несколько секунд до посадки стабилизировать положение аппарата и не перевернуться при посадке.
Видео с навигационной камеры вертолета во время шестого полета. В течение последних 29 секунд полета «Индженьюити» качало и дергало, а посадка чуть не закончилась аварией.
Ранее во время попытки выполнить четвертый полет у «Индженьюити» возникли проблемы со сторожевым таймером. Тогда ее решили перезагрузкой системы, вторая попытка четвертого полета оказалась успешной. Баг с тем, что у вертолета с вероятностью 15 % происходит истечение времени сторожевого таймера и прекращение текущего выполнения полетных команд, в НАСА не победили.
Вертолет «Индженьюити» имеет массу 1,8 кг (0,68 кг в марсианской гравитации), четыре опоры с посадочными чашками, на его борту установлены две цветные камеры (0,5 МП для ориентации и 13 МП для аэрофотосъемки в 4K), система навигации, включая лазерный высотомер от SparkFun Electronics и гиростабилизатор (IMU), система передачи данных (канал связи до 250 Кбит/с на расстоянии до 800 метров от марсохода), а также аккумуляторные батареи и солнечная панель. На дроне установлены два соосных несущих контрвращающихся карбоновых винта диаметром 1,2 метра каждый, их обороты будут достигать 2 537 в минуту. Заряда батарей должно хватать на один полутораминутный полет, потом аппарату нужна посадка, подзарядка батарей, тестирование внутренних систем и заливка нового ПО для полета.
Элементы марсианского вертолета.
Аппаратные системы «Индженьюити» основаны на плате SoC Snapdragon 801. В нем установлен Linux и открытое ПО. Вертолет будет летать самостоятельно, без участия оператора. Он должен взлетать, делать несколько маневров и приземляться, ориентируясь на местности автономно, задействуя лишь минимум команд с Земли, отправленных заранее.
Цель использования первого БПЛА на Марсе — разведка, исследование труднодоступных мест и сбор данных для создания более совершенных дронов, способных работать в разреженной атмосфере планеты в будущем.
«Марс труден не только тогда, когда вы приземляетесь, но и когда вы пытаетесь оторваться от него и летать вокруг над планетой», — пояснила вчера руководитель проекта «Индженьюити» МиМи Аунг (MiMi Aung). О том, какие трудности возникли при реализации этого проекта, можно почитать в этой публикации на Хабре.
Фактически «Индженьюити» на Марсе уже реализовал такие достижения:
19 апреля «Индженьюити» совершил первый автономный полет. Видео первого полета «Индженьюити», сделанное марсоходом.
20 апреля НАСА показало на видео потоки марсианской пыли во время первого полета вертолета «Индженьюити».
21 апреля НАСА опубликовало подробное видео первого взлета и посадки вертолета «Индженьюити».
22 апреля 2021 года «Индженьюити» выполнил свой второй полет. Позже НАСА показало первые цветные изображения, полученные с вертолета «Индженьюити».
25 апреля 2021 года «Индженьюити» совершил третий 100-метровый полет и сфотографировал марсоход «Персеверанс».
30 апреля вертолет со второй попытки выполнил четвертый полет. Тогда же оператор вертолета Ховард Грип рассказал о фазах полета над поверхностью Марса во время его четырех миссий — взлете, парении и посадке.
7 мая НАСА опубликовало видео со звуком четвертого полета «Индженьюити» и рассказало, что марсианский вертолет «Индженьюити» успешно выполнил свой пятый полет и впервые перебазировался на новое место.
28 мая НАСА выложило в открытый доступ более 390 фотографий с бортовых камер вертолета.
Последний полёт марсианского вертолёта Ingenuity отменили из-за аномалии в системе управления винтами
Запланированный на 18 сентября 14-й полёт марсианского вертолёта Ingenuity не состоялся из-за обнаруженной аномалии в работе некоторых элементов летающего аппарата. В указанный день команда миссии Ingenuity планировала поднять вертолёт в атмосферу Марса при более высокой скорости вращения его лопастей — около 2700 оборотов в минуту вместо привычных 2537 об/мин.
Источник изображения: NASA/JPL-Caltech
Изменения в работу винтокрылой машины были внесены из-за того, что со сменой сезонов марсианская атмосфера в регионе, где работает вертолёт, становится ещё более разреженной и поэтому требует от его винтов большей отдачи для создания подъёмной силы. Команда миссии провела наземные испытания несущих винтов 15 сентября, раскрутив их до скорости 2800 оборотов в минуту. Однако в запланированный день полёта машина так и не поднялась в воздух.
«Во время предпусковой проверки Ingenuity обнаружил аномалию в работе двух небольших сервоприводов, являющихся частью подъёмного механизма. Поэтому машина сделала то, что от неё требуется в таких случаях — она отменила запуск», — комментирует произошедшее Яакко Каррас (Jaakko Karras), заместитель начальника операций Ingenuity из Лаборатории реактивного движения NASA.
У Ingenuity шесть сервоприводов, по три на каждый из двух винтов. Маленькие моторы регулируют их наклон, позволяя вертолёту управлять полётом.
Анализ предполётных испытаний 18 сентября показал, что два сервопривода Ingenuity слегка колебались во время проверки. Эта проблема, однако, не всегда повторяется: в ходе повторных испытаний 21 и 23 сентября в работе системе сервоприводов не было обнаружено ничего необычного. Руководство миссии рассчитывает, что полёты Ingenuity скоро можно будет возобновить.