Як літати там, де немає повітря? Секрети космічних дронів

Ще недавно політ безпілотника над поверхнею іншої планети здавався сюжетом наукової фантастики. Сьогодні людство вже має за плечима 72 польоти марсіанського гелікоптера, готує величезну літальну лабораторію для супутника Сатурна й розробляє роботів, здатних перестрибувати через місячні кратери. Але навіщо взагалі потрібні такі апарати, якщо інші світи вже досліджують орбітальні зонди та марсоходи? І як змусити дрон літати там, де повітря майже немає, а команда із Землі надходить із затримкою в десятки хвилин?

Відповіді на ці запитання відкривають значно цікавішу історію, ніж просто створення нових літальних апаратів. Адже космічні дрони можуть докорінно змінити сам підхід до дослідження інших світів — дозволити людству вперше дістатися місць, які досі залишалися недосяжними навіть для найсучасніших роботизованих експедицій.

За межами можливостей марсоходів

Уявімо, що марсохід досліджує поверхню Червоної планети й попереду помічає незвичайне геологічне утворення. Воно може приховувати сліди давніх водойм або навіть підказати, чи існували колись на Марсі умови для життя. Проте між ровером і цим місцем лежить глибокий кратер або крутий кам’янистий схил. Для людини така перешкода могла б стати звичайною частиною маршруту, але для роботизованого апарата, який перебуває за мільйони кілометрів від Землі, вона може означати кінець дослідження.

Звісно, науковці можуть спробувати роздивитися цікаву ділянку з орбіти. Сучасні камери космічних зондів дозволяють отримувати надзвичайно детальні зображення планет, але навіть вони не здатні замінити безпосереднього дослідження поверхні. Орбітальний апарат не може зазирнути під каміння, відібрати зразок ґрунту або визначити його хімічний склад так, як це зробить обладнання на місці. А відправляти окрему посадкову місію до кожного цікавого об’єкта було б надто складно й дорого.

Саме ця проблема поступово підштовхнула інженерів до ідеї, яка ще недавно здавалася фантастичною: а що, як навчити космічні апарати літати? Адже замість того, щоб тижнями шукати безпечний шлях між перешкодами, робот міг би просто перелетіти через них. Він отримав би можливість оглядати великі території з невеликої висоти, досліджувати важкодоступні місця та допомагати марсоходам обирати маршрути. А якщо оснастити його науковими приладами — то й самостійно проводити вимірювання в різних точках планети.

Проте тут виникла інша проблема, вже суто фізична. Звичайний квадрокоптер не зможе працювати будь-де в Сонячній системі. Його гвинти створюють підйомну силу, прискорюючи навколишнє повітря вниз, тому для польоту необхідна атмосфера. Якщо вона надто розріджена, як на Марсі, створити достатню підйомну силу стає значно складніше. А там, де повітря практично немає, як на Місяці, пропелери взагалі втрачають сенс.

Тож інженерам довелося відмовитися від ідеї універсального космічного дрона. Натомість кожен апарат потрібно пристосовувати до умов конкретного небесного тіла. На Марсі це надлегкі гелікоптери зі швидкообертовими гвинтами. На Титані, де атмосфера значно щільніша, можуть літати великі мультикоптери, здатні перевозити цілу наукову лабораторію. Для Венери перспективними виявилися аеростати, які утримуються в атмосфері завдяки плавучості, а для Місяця розробляють роботів із реактивними двигунами, здатних здійснювати короткі перельоти між ділянками поверхні.

І хоча ці машини зовсім не схожі одна на одну, всі вони вирішують спільне завдання — дають можливість досліджувати інші світи, не обмежуючись маршрутами, доступними для колісної техніки. Але чи може така ідея працювати на практиці? Відповідь на це запитання людство отримало у квітні 2021 року, коли над поверхнею Марса вперше піднявся крихітний гелікоптер Ingenuity.

Ingenuity: 39 секунд, що змінили дослідження Марса

18 лютого 2021 року на поверхню Марса опустився Perseverance — один із найскладніших марсоходів, створених людством. Попереду на нього чекали роки дослідження кратера Єзеро, де мільярди років тому могло існувати озеро. Але разом із великою науковою лабораторією NASA доставила на Червону планету ще один, значно менший апарат, який мав здійснити те, чого до нього не робила жодна машина в історії космонавтики.

Під корпусом марсохода був закріплений гелікоптер Ingenuity масою лише 1,8 кг (4 фунти). Він не мав складних наукових приладів для пошуку життя чи аналізу порід. Його завдання полягало лише в тому, щоб здійснити п’ять коротких польотів і довести, що літати на Марсі взагалі можливо. Проте навіть для такого невеликого експерименту інженерам довелося розв’язати надзвичайно складну аеродинамічну задачу.

Річ у тім, що атмосфера Марса приблизно у сто разів розрідженіша за земну. А гелікоптер тримається у повітрі завдяки тому, що його гвинти прискорюють навколишній газ донизу, створюючи підйомну силу. Чим менша густина атмосфери, тим складніше отримати достатню силу для польоту. Тому Ingenuity довелося зробити надзвичайно легким та оснастити двома великими співвісними гвинтами, які оберталися в протилежних напрямках зі швидкістю до 2400 обертів за хвилину.

Після років розрахунків і земних випробувань настав момент перевірити, чи працюватиме ця конструкція в реальних марсіанських умовах. 19 квітня 2021 року Ingenuity запустив двигуни, піднявся на висоту 3 м (9,8 фута), ненадовго завис і плавно повернувся на поверхню. Увесь політ тривав лише 39 секунд. Але вперше в історії людства апарат здійснив керований політ із використанням аеродинамічної підйомної сили в атмосфері іншої планети.

Символічно, що на борту Ingenuity перебував маленький шматочок тканини з крила літака Flyer 1 братів Райт. Саме на ньому у 1903 році відбувся перший успішний керований політ літака з двигуном, який тривав лише 12 секунд. Через 118 років частинка цієї машини побувала вже в марсіанському небі.

Здавалося б, на цьому історія Ingenuity могла завершитися. П’ять запланованих польотів були успішно виконані, але гелікоптер залишався справним, і NASA вирішила продовжити експеримент. Поступово апарат почав літати далі, освоювати нові посадкові майданчики й навіть допомагати Perseverance досліджувати Марс. Його фотографії з повітря дозволяли оцінювати рельєф, знаходити цікаві геологічні об’єкти та планувати подальші маршрути марсохода.

Так експеримент, розрахований приблизно на місяць, перетворився на майже трирічну місію. Замість п’яти польотів Ingenuity здійснив 72, провів у повітрі понад дві години та подолав близько 17 км (10,6 милі). Але 18 січня 2024 року під час останньої посадки гелікоптер пошкодив лопаті й назавжди втратив здатність літати.

Розслідування NASA виявило несподівану проблему. Для навігації Ingenuity використовував камеру, яка відстежувала характерні деталі поверхні та допомагала визначати рух апарата. Проте під час останнього польоту під ним простягалася майже однорідна піщана місцевість. Камері бракувало виразних орієнтирів, через що система, найімовірніше, неправильно оцінила горизонтальну швидкість гелікоптера. Це призвело до жорсткої посадки та пошкодження гвинтів.

Так людство вперше не лише здійснило польоти на іншій планеті, а й провело розслідування авіаційної аварії за її межами. Причому всі висновки інженерам довелося робити дистанційно, використовуючи лише фотографії та телеметрію.

Останній політ Ingenuity став не менш важливим уроком, ніж перший. Він продемонстрував, що навчити космічний апарат літати — лише половина завдання. Значно складніше забезпечити його здатність самостійно орієнтуватися, уникати небезпек і безпечно приземлятися без втручання людини.

І якщо Ingenuity лише доводив, що польоти на інших планетах можливі, то його наступники вже мають використовувати політ як основний спосіб наукових досліджень. Найамбітніший із таких проєктів готують для світу, де умови для авіації виявилися значно сприятливішими, ніж на Марсі, — супутника Сатурна Титана.

Dragonfly: літальна лабораторія у світі метанових морів

Титан, найбільший супутник Сатурна, нагадує Землю дивним поєднанням знайомого й чужого. Там є хмари, дощі, річкові долини, дюни й моря. Але замість води в них — рідкі метан та етан, а водяний лід за температури близько −179 °C (−290 °F) поводиться як кам’яна порода. Густий помаранчевий серпанок приховує поверхню від звичайних камер на орбіті.

Особливий інтерес становить хімія Титана. У його атмосфері утворюються органічні речовини, а їхня взаємодія з поверхнею може підказати, як розвивалися процеси, що передували виникненню життя на молодій Землі. Щоб порівнювати матеріали з різних місць, недостатньо одного посадкового модуля. Саме тому NASA створює Dragonfly — дрон, здатний переносити між точками досліджень цілу лабораторію.

На перший погляд, ідея суперечить досвіду Марса. Якщо Ingenuity важив усього 1,8 кг (4 фунти), то маса Dragonfly становитиме приблизно 875 кг (1930 фунтів). Проте вирішальне значення має не лише маса. Атмосфера Титана біля поверхні приблизно вчетверо густіша за земну, а тяжіння — приблизно всемеро слабше. Гвинти мають більше газу, на який можна спиратися, а вага апарата за тієї самої маси значно менша. Тож з аеродинамічного погляду літати тут простіше, ніж на Марсі.

Dragonfly матиме вісім гвинтів і зможе самостійно перелітати між геологічними об’єктами. За основним планом місії він досліджуватиме 20–30 ділянок протягом понад трьох років, долаючи загалом близько 115 км (71 милю). Серед цілей — дюни з органічних частинок і район ударного кратера Селк, де в минулому рідка вода могла контактувати зі складною органікою. Бортові прилади аналізуватимуть атмосферу й поверхню, а система відбору проб доставлятиме матеріал до мас-спектрометра. Йдеться насамперед про дослідження передбіологічної хімії, а не про безпосередній пошук живих організмів.

Залишається енергетична проблема: далеко від Сонця й під щільною атмосферою сонячні батареї були б малоефективними. Тому Dragonfly використовуватиме радіоізотопний термоелектричний генератор. Тепло радіоактивного розпаду забезпечуватиме електроживлення та допомагатиме захищати обладнання від холоду; на поверхні акумулятори заряджатимуться, а під час польоту віддаватимуть енергію електродвигунам. Запуск запланований не раніше липня 2028 року, прибуття — наприкінці 2034-го. Після Ingenuity це буде вже не перевірка можливості польоту, а наукова експедиція, побудована навколо нього.

Від марсіанських гелікоптерів до венеріанських аеростатів і місячних хоперів

Інженери вже розглядають можливість повернутися до Марса з набагато досконалішими машинами. Адже тепер головне завдання полягає не в тому, щоб просто піднятися в повітря, а в тому, щоб використати політ для справжніх наукових відкриттів.

Саме на цьому принципі ґрунтується представлена у 2026 році концепція SkyFall. На відміну від Ingenuity, який був лише демонстратором технології, нова місія передбачає доставлення на Марс одразу трьох гелікоптерів, оснащених науковими приладами. Зокрема, їхні георадари допоможуть шукати поклади льоду під поверхнею планети. І це вже не просто геологічний інтерес: для майбутніх астронавтів марсіанський лід може стати джерелом води, кисню та навіть компонентів ракетного палива. Запуск місії попередньо планують на кінець 2028 року.

Проте Марс і Титан — далеко не єдині світи, де літальні апарати можуть бути корисними. Цікаво, що для дослідження деяких планет інженерам узагалі не потрібні пропелери. Наприклад, на Венері, де поверхня нагрівається до 465 °C (869 °F), а атмосферний тиск перевищує земний більш ніж у 90 разів, створити довговічний наземний апарат надзвичайно складно. Але якщо піднятися на висоту 50–55 км (31–34 милі), умови стають значно сприятливішими. Тому замість посадкових модулів учені можуть використовувати аеростати, які триматимуться в атмосфері завдяки плавучості та досліджуватимуть планету, рухаючись разом із вітрами.

Причому ця ідея вже була випробувана на практиці. Ще у 1985 році два аеростати програми «Вега» провели в атмосфері Венери приблизно 46 годин, за які вітри перенесли їх більш ніж на 11 000 км (6800 миль). Утім, на відміну від гелікоптерів, звичайні повітряні кулі практично не можуть самостійно обирати напрямок руху. Тому наступним завданням для інженерів стане створення апаратів, здатних не лише дрейфувати в атмосфері, а й певною мірою керувати своїм переміщенням.

Але якщо Венера дозволяє літати завдяки надзвичайно щільній атмосфері, то на Місяці ситуація протилежна. Тут повітря практично немає, а отже, навіть найпотужніші пропелери не зможуть створити підйомну силу. Втім, відмовлятися від польотів необов’язково. Замість гвинтів можна використати реактивні двигуни, які дозволять роботам здійснювати короткі стрибки над поверхнею, долаючи кратери та інші перешкоди.

Саме за таким принципом мав працювати Micro Nova на ім’я Grace, доставлений до Місяця у 2025 році. Його створили для дослідження важкодоступних районів поблизу південного полюса. На жаль, випробувати апарат не вдалося: посадковий модуль Athena опинився на боці й невдовзі припинив роботу.

Однак сама ідея стрибкового переміщення вже довела свою ефективність. У 2018 році японські роботи MINERVA-II1 пересувалися стрибками поверхнею астероїда Рюгу, а у 2024 році мініатюрний LEV-1 випробував такий спосіб руху на Місяці. Щоправда, на відміну від реактивного Grace, ці апарати використовували внутрішні механізми для створення імпульсу.

Отже, незалежно від того, чи йдеться про розріджену атмосферу Марса, густі хмари Венери або безповітряну поверхню Місяця, інженери поступово знаходять способи долати обмеження кожного світу. Проте всі ці технології об’єднує ще одна проблема, яка може виявитися складнішою за створення самого літального апарата. Адже навіть якщо робот здатний літати на іншій планеті, залишається питання: хто керуватиме ним за сотні мільйонів кілометрів від Землі?

Як керувати космічним дроном із Землі

Уявімо, що космічний дрон летить над поверхнею Марса й раптом помічає попереду небезпечну перешкоду. На Землі оператору достатньо кількох секунд, щоб змінити напрямок польоту. Але на Марсі ситуація зовсім інша. Через величезну відстань між планетами радіосигнал долає шлях від Землі до апарата приблизно за 3–22 хвилини, залежно від їхнього взаємного розташування. А якщо йдеться про Титан, затримка перевищує годину. За цей час дрон уже давно зіткнеться з перешкодою або завершить політ.

Тому керувати космічними дронами так само, як звичайними земними безпілотниками, неможливо. Оператор може визначити мету польоту та передати маршрут, але всі рішення, що потребують негайної реакції, апарат повинен ухвалювати самостійно. І тут виникає ще одна складність: як дрон узагалі зрозуміє, де він перебуває, якщо на Марсі чи Титані немає супутникової навігації на зразок GPS?

Інженери знайшли рішення, яке частково нагадує те, як орієнтується сама людина. Спеціальні інерціальні датчики вимірюють прискорення та обертання апарата, а камери безперервно спостерігають за поверхнею. Відстежуючи, як каміння, тріщини та інші характерні деталі переміщуються між послідовними кадрами, бортовий комп’ютер може оцінювати швидкість і напрямок руху. Поєднання цих даних дозволяє дрону орієнтуватися навіть без сигналів навігаційних супутників.

Саме такий принцип використовував марсіанський Ingenuity. Проте його останній політ продемонстрував слабке місце цієї технології: якщо поверхня занадто однорідна, камері просто немає за що «зачепитися». Тоді помилка у визначенні положення або швидкості може призвести до аварії.

Тому майбутнім космічним дронам доведеться навчитися значно більшого. Їм буде недостатньо просто визначати власне положення. За допомогою камер, радарів і алгоритмів комп’ютерного зору вони повинні самостійно розпізнавати небезпечні ділянки, коригувати маршрут і знаходити безпечні місця для посадки. Фактично йдеться про створення роботів, яким людина лише вказуватиме, куди потрібно дістатися, а вони самі вирішуватимуть, як це зробити.

І саме така автономність може остаточно змінити підхід до дослідження інших планет. Адже якщо космічний апарат навчиться самостійно пересуватися незнайомою місцевістю, він зможе виконувати завдання, які сьогодні потребують тривалого планування та постійного контролю із Землі.

Чи витіснять дрони ровери

Здавалося б, якщо літальний апарат здатний за один переліт подолати відстань, на яку ровер витратить дні, майбутнє наземної техніки під питанням. Проте рухатися швидко — не те саме, що детально досліджувати. Марсоходи можуть роками працювати на поверхні, перевозити важкі прилади, аналізувати породи й проводити вимірювання безпосередньо на місці.

До того ж вони теж стають автономнішими. 11 жовтня 2026 року пробіг Perseverance досяг 45,22 км (28,10 милі), перевершивши результат Opportunity — 45,16 км (28,06 милі). Цей рекорд став можливим, зокрема, завдяки вдосконаленій автоматичній навігації.

Найімовірніше, майбутні експедиції об’єднають різні машини. Орбітальні зонди складатимуть загальні карти, дрони швидко перевірятимуть цікаві та небезпечні ділянки, а ровери досліджуватимуть їх зблизька. Для майбутньої пілотованої місії така співпраця може означати можливість заздалегідь знайти безпечний маршрут і запаси льоду, перш ніж людина ступить на поверхню.

Колись людство навчилося бачити інші світи в телескоп, потім — торкатися їх роботизованими апаратами. Тепер ми навчилися над ними літати. І цілком можливо, що першою машиною, яка зустріне астронавтів у незнайомому світі, стане автономний повітряний розвідник та провідник.

Побачити те, що неможливо передати словами: як виглядають реальні польоти Ingenuity та як рухатимуться майбутні дрони над Титаном і Місяцем — дивіться у нашому відео.