Jak dron znalazł się na Marsie?
Ludzie już kilkakrotnie przysłali łazik badawczy na Marsa. Ostatnie misje modeli Spirit i Opportunity zostały niedawno zakończone. Z kolei łazik Curiosity, który wylądował w 2012 roku, nadal aktywnie tam pracuje. Będąc jeżdżącymi laboratoriami na 6 kołach samodzielnie zbadały już dziesiątki kilometrów kwadratowych marsjańskiego regolitu. Napęd kołowy łazików ma jednak swoje ograniczenia. Dla przykładu – jedno z kół modelu Spirit ugrzęzło w marsjańskim piasku uniemożliwiając mu kontynuowanie misji. Prędkość również nigdy nie była ich mocną stroną.
Łazik, łazikiem, my jesteśmy droniarzami, nas interesuje jak to lata! Naukowcy chcąc przyspieszyć eksplorację Marsa wpadli na genialny pomysł. Zastanówmy się – jaki gadżet/narzędzie można od kilku lat znaleźć w plecaku większości podróżników odkrywających i dokumentujących piękno i tajemnice naszej planety? Tak, chodzi o drona. Postępująca miniaturyzacja sprawiła, że każdy z nas może mieć w swoim bagażu małą, latającą kamerę o coraz lepszych parametrach. Taki niewielki przyjaciel pozwala spojrzeć na świat z innej, szerszej perspektywy. Świetnym przykładem maszynki tego rodzaju jest najnowszy Mavic Mini 2 – mały, kompaktowy dron, mniejszy od niejednego smartfona.
Skąd imię drona “Ingenuity” ?
Pierwszy marsjański dron, swoją nazwę zawdzięcza uczennicy Vanezzie Rupani, która zaproponowała ją w jednym z pośród 20 000 zgłoszeń jakie NASA otrzymała w ramach konkursu ogłoszonego dla amerykańskich uczniów i studentów z całego kraju. Tłumacząc z angielskiego, Ingenuity oznacza pomysłowość. Perserverance to wytrwałość. Nie trzeba chyba tłumaczyć trafności wyboru. Obie te cechy pozwoliły dziesiątkom inżynierów i naukowców doprowadzić misję do etapu lądowania na czerwonej planecie. Możemy jednak śmiało przyznać, że to dopiero początek tej fascynującej przygody.
Cel misji
Pobyt drona Ingenuity na czerwonej planecie ma charakter eksperymentalny i jest zupełnie niezależny od zadań samego łazika. Jego osiągi podczas lotów testowych w marsjańskiej atmosferze będą bezcenne dla inżynierów konstruujących kolejne statki latające dla następnych misji. W przyszłości drony będą wspierały łaziki w odkrywaniu tajmenic planety swoją mobilnością. Dotrą tam, gdzie koła się nie sprawdzają a więc ponad strome lub śliskie zbocza marsjańskich wzniesień. Obserwacje prowadzone przez maszyny latające ułatwią analizy geologiczne globu a w dalszej perspektywie będą pomagały pierwszym astronautom w jej eksploracji.
Wyzwanie konstruktorskie
Zespół inżynierów odpowiedzialny za skonstruowanie drona Ingenuity musiał przystosować maszynę do lotów w marsjańskiej atmosferze, które odbiegają mocno od atmosfery wokół naszej planety. Powłoka gazowa wokół czerwonego globu składa się w 95% z dwutlenku węgla i jest 100 razy cieńsza niż ta wokół Ziemi. Podczas gdy u nas średnie ciśnienie przy powierzchni wynosi 1013 hPa, tam osiąga zaledwie 0,6 hPa. Nie są to więc dobre warunki dla pionowzlotów (helikopter, multirotor), które preferują atmosferę gęstszą z racji wydajności ich napędu. Z kolei na korzyść czerwonej planety przemawia grawitacja będąc trzykrotnie mniejszą niż na Ziemi.
Dwie główne trudności jakim inżynierowie stawili czoła było zminimalizowanie masy drona oraz miejsce do przeprowadzania testów – no bo jak sprawdzić drona marsjańskiego na Ziemi?
Zastosowanie możliwie małych komponentów elektronicznych oraz materiałów konstrukcyjnych o optymalnym stosunku wytrzymałości do masy pozwoliło uzyskać masę drona wynoszącą 1,8 kg na Ziemi (to jest 680g na Marsie). Dodatkowo w warunkach laboratoryjnych, w specjalnej komorze stworzono środowisko zbliżone do marsjańskiego by wykonać testy w locie.
Maszyna ma wysokość 49 cm. Odpowiednią siłę ciągu zapewniają dwa przeciwstawnie pracujące wirniki o średnicy 1,2 m osiągające prędkość 2400 obr/min. Dron, prócz komputera sterującego wyposażony jest w dwie kamery (kolorową i czarno – białą) i system nawigacji. Wartym zaznaczenia jest też fakt iż w kraterze Jezero, gdzie dron wykona swój dziewiczy lot temperatura może spadać nawet do -90 ℃. W tym miejscu warto przypomnieć, że akumulatory litowo-polimerowe zasilające najpopularniejsze drony “komercyjne” używane na ziemi (np. serii Phantom, Mavic, Yuneec) mogą tracić swoją wydajność już przy +18 ℃.
Sterowanie marsjańskim dronem.
Kolejną kwestią jest sterowanie. O ręcznej kontroli – jak większość maszyn na ziemi – można zapomnieć. Opóźnienie sygnału sprawia, że lot FPV tak popularny na kuli ziemskiej, w tym przypadku zupełnie nie wchodzi w grę. Dystans jaki sygnał sterujący musi pokonać z naszej planety do Marsa sprawia, że dron polecenia otrzymywałby po około 11 minutach. Pilot na ziemi zauważyłby reakcję na komendę po kolejnych 11. Z tego powodu, marsjański dron został odpowiednio zaprogramowany tak, by mógł niezależnie podejmować decyzje. Jest więc autonomiczny. Zespół inżynierów na Ziemi będzie mu wysyłał plan trasy, po czym dron wykona lot samodzielnie. Zainstalowane na jego pokładzie sensory i kamery umożliwią mu kontrolowanie zadanego kursu.
6 milowych kroków dla misji drona “Ingenuity“
Inżynierowie wyznaczyli 6 kluczowych etapów jakie nasz dron powinien przejść pomyślnie przed jego pierwszym lotem. Są to:
- przetrwanie podróży na marsa i lądowanie,
- bezpieczne opuszczenie z łazika Perserverance na powierzchnię planety,
- autonomiczne utrzymanie swojej optymalnej temperatury podczas lodowatej nocy marsjańskiej,
- autonomiczny proces ładowania akumulatorów poprzez wbudowany panel słoneczny,
- nawiązanie i utrzymanie dwukierunkowej komunikacji z modułem sterującym zainstalowanym w łaziku Perserverance.
Jeżeli pierwszy lot drona zakończy się sukcesem. Inżynierowie wykonają ich więcej. Wg planów wszystkie opisane testy mają zostać wykonane w ciągu 31 soli (marsjańskich dni) równych 30 dniom na Ziemi.
Trzymajmy kciuki za powodzenie misji. Eksploracja kosmosu to istotny etap w ewolucji cywilizacji. Nasza jedyna gwiazda – Słońce – nie jest wieczne. Żeby ludzkość przetrwała kolejne miliardy lat musimy zacząć kolonizować inne układy planetarne. Księżyc i Mars to pierwsze dwa kroki do tego, by fikcja stała się faktem!