NASA продвинулась в разработке миссии SkyFall, целью которой является отправка трех небольших вертолетов для проведения исследований на Марсе. Один из важнейших компонентов этого проекта — ультралегкая и гибкая антенна — недавно прошла строгие испытания. Эта антенна спроектирована для работы совместно с радаром, функция которого заключается в обнаружении льда, скрытого прямо под марсианской поверхностью.
Наличие замерзшей воды рассматривается как ресурс исключительной важности для будущих пилотируемых экспедиций на Красную планету. Этот лед может использоваться не только для потребления человеком, но и преобразовываться в пригодный для дыхания кислород и водород, сырье для ракетного топлива. Обнаружение доступных залежей значительно сократит количество припасов, которые необходимо доставлять с Земли.
Резюме возможностей
В настоящее время орбитальные зонды Марса способны идентифицировать крупные запасы льда, расположенные на глубине десятков метров. Однако эти приборы испытывают трудности с визуализацией поверхностных слоев почвы, которые являются наиболее подходящими зонами для добычи этого ресурса во время будущих пилотируемых миссий.
По данным NASA, это ограничение будет преодолено вертолетами миссии SkyFall. Благодаря полетам на низкой высоте и с пониженной скоростью они смогут использовать радар с проникновением в грунт для выявления перехода от сухой почвы к погребенному льду на расстоянии нескольких метров от поверхности, создавая гораздо более детальные карты этих регионов.
Радар будет работать в широком диапазоне радиочастот, охватывающем от 500 до 2500 мегагерц. Эта комбинация позволяет собирать данные с различных глубин: более длинные радиоволны могут проникать на несколько метров, в то время как более короткие обеспечивают более четкое изображение верхних слоев грунта.
Хотя технология радара уже была известна, ее интеграция в вертолет размера SkyFall потребовала инновационного решения. Стандартная антенна была бы слишком большой, чтобы разместить ее под летательным аппаратом, не нарушая процедуры посадки. Учитывая, что расстояние между марсианским грунтом и нижней частью вертолета составляет всего около 15 сантиметров, инженерам пришлось создать гораздо меньшее и более податливое оборудование.
После оценки различных вариантов команда выбрала модель, получившую название антенна Вивальди. Этот тип антенны способен излучать и принимать сигналы в очень широком диапазоне частот, что является ключевым свойством радара миссии. Кроме того, ее плоская форма упрощает изготовление с использованием легких и гибких материалов.
Изогнутая антенна получила имя своего изобретателя, Питера Гибсона, который сравнил ее извилистые линии с скрипкой, инструментом, связанным с композитором Антонио Вивальди.
Даже с использованием этой технологии оригинальная антенна все еще была слишком большой для вертолета. Поскольку радар миссии был разработан только для исследования на глубину примерно пять метров в сухом грунте — что меньше мешает радиоволнам, чем наземные ландшафты, — исследователи смогли еще больше уменьшить размеры компонента, не нанося ущерба его эффективности.
Тем не менее, антенна оставалась примерно в полтора раза длиннее, чем ноги вертолета. Это означает, что она должна будет сгибаться при каждой посадке, особенно если аппарат наткнется на камень или неровную поверхность. Затем она должна автоматически возвращаться в исходную форму для продолжения сбора данных во время полета.
Для поддержки этого повторяющегося усилия инженеры покрыли антенну полиэстером и слоями Vectran — высокопрочным материалом, который уже использовался в подушках безопасности, смягчавших посадку роботов Spirit и Opportunity на Марсе. Конструкция также была оснащена гибкими пружинами из стекловолокна и магниевой рамой для обеспечения стабильности во время полета.
Несмотря на все эти усиления, оборудование оставалось довольно легким. Полная антенна весит примерно 150 грамм, что немного больше, чем две скрипки. Снижение массы имеет решающее значение, поскольку любое увеличение веса напрямую влияет на производительность летательных аппаратов, которые должны работать в чрезвычайно разреженной атмосфере Марса.
После завершения разработки прототипа команда начала серию испытаний в Лаборатории реактивного движения (JPL) в Калифорнии. Целью этих испытаний было подтвердить, сможет ли антенна выдерживать экстремальные условия космической миссии, не теряя способности передавать и принимать радиолокационные сигналы.
Инженеры начали моделировать сгибание антенны для воспроизведения ее положения после посадки на Марсе. Затем оборудование подвергалось большим перепадам температуры, имитирующим суточный цикл планеты, где разница температур может достигать около 94°C.
После этого этапа антенна многократно сгибалась, чтобы имитировать десятки посадок, выполненных вертолетами в течение миссии. Между каждым циклом исследователи останавливали испытания, чтобы проверить, остается ли неизменной производительность радиопередач.
Испытания также включали еще более сложный сценарий: антенна устанавливалась перевернутой во время измерений радиочастот, создавая механическое напряжение, превышающее то, которое она испытает в марсианской гравитации, составляющей лишь около трети земной гравитации.
Полученные результаты были признаны очень благоприятными. По завершении кампании испытаний антенна выдержала эквивалент 200 посадок на Марсе, что более чем вдвое превышает необходимое для выполнения основной миссии, не демонстрируя потери производительности или постоянных деформаций.
По словам ответственных за проект, этот результат снял основные технические вопросы команды. Хотя до окончательного одобрения для полета все еще необходимы новые испытания, достигнутая производительность подтвердила, что концепция работает в соответствии с ожиданиями.
Следующие шаги
Следующий этап предусматривает создание новой инженерной модели. Это оборудование пройдет вибрационные испытания, испытания на раскрытие в условиях, имитирующих марсианскую среду, и оценку производительности в Mars Yard — зоне JPL, предназначенной для воссоздания ландшафта Красной планеты.
Каждый из трех вертолетов SkyFall будет нести четыре научных прибора. Миссия выигрывает от опыта, полученного с вертолета Ingenuity, который совершил 72 полета на Марсе в течение почти трех лет. Успех этого летательного аппарата доказал осуществимость управляемого полета в марсианской атмосфере, открывая путь для более амбициозных воздушных миссий.
Если график сохранится, запуск миссии SkyFall запланирован на конец 2028 года с использованием ракеты Freedom, разработанной самой NASA. Помимо увеличения знаний о подповерхностных слоях Марса, миссия сможет указать оптимальные места для будущих человеческих баз, делая исследование Марса более безопасным и эффективным.
