Роботы-первооткрыватели: история покорения трех миров

«Роботы-первооткрыватели история покорения трех миров»

В этих трех историях мы хотим показать, насколько разные условия в Солнечной системе требуют уникальных технических решений. На астероиде сверхмалая гравитация вынуждает использовать прыгающих роботов, на Луне — колесные роверы, способные пережить экстремальные перепады температур, а на Марсе — тяжелые аппараты с радиоизотопными источниками энергии и полноценными бортовыми лабораториями. Каждая история иллюстрирует, как инженеры адаптируют дизайн, энергоснабжение и научные приборы под конкретную среду, доказывая, что универсального ровера для всех небесных тел пока не существует.

Прыгающие хопперы на астероиде Рюгу

Меня зовут MINERVA-II, и я — один из мини-роверов (или хопперов) миссии Hayabusa2. Моя масса всего около 1 кг, а размеры — примерно 18 х 7 см. Мы вместе с посадочным модулем MASCOT были отправлены космическими агентствами JAXA (Япония) и DLR (Германия) на астероид Рюгу, чтобы впервые изучить это маленькое небесное тело непосредственно на его поверхности. Хочу поделиться своей историей — рассказом о том, как я попал на Рюгу 21 сентября 2018 года, как передвигался по его поверхности и какие данные успел собрать.

https://www.hayabusa2.jaxa.jp/en/topics/20180919e/img/fig3.jpg
Иллюстрация Ровера-1А (сзади) и Ровера-1Б (на переднем плане) из MINERVA-II, когда они исследуют поверхность Рюгу. Изображение: JAXA

Рождение и подготовка к полету

Когда я еще находился в лабораториях на Земле, конструкторы стремились сделать меня максимально компактным и легким. Для передвижения по поверхности крошечного астероида колеса попросту не подходили — там слишком слабая гравитация. Вместо этого мне установили специальные маховики (технически они называются «торкерные механизмы», или magnetic torquers). Когда они раскручиваются, мое тело слегка смещает центр тяжести, и я прыгаю.

Magnetorquer Rods from NewSpace Systems
Торкерные механизмы. Изображение: newspacesystems

На борту у меня есть:

  • Камера для панорамных снимков.
  • Термодатчик (радиометр) для измерения температуры.
  • Магнитометр для поиска магнитных минералов.
  • Инфракрасный спектрометр для анализа состава поверхностного слоя.

Мой коллега из блока MASCOT (Mobile Asteroid Surface Scout) оснащен похожим набором приборов, включая камеры MASCam, радиометр MARA, магнитометр MASMag и спектрометр MicrOmega. А также своей особенной системой для изменения ориентации на поверхности.

Чтобы поддерживать всю эту электронику, нас снабдили аккумуляторами. У MASCOT была батарея (Li-ion) с ресурсом порядка 17 часов активной работы (вполне достаточно, чтобы провести серию важных экспериментов). У меня были более компактные аккумуляторы и солнечные панели, позволяющие подзаряжаться, если удавалось оказаться на солнечной стороне астероида.

Добираясь до Рюгу

Нас обоих закрепили на космическом аппарате Hayabusa2 в специальных контейнерах: перед спуском мы были как бы «прикручены» к зонду, чтобы не потеряться в пути. Так мы вместе преодолели миллионы километров по Солнечной системе, направляясь к пункту назначения — астероиду Рюгу. Полет продлился несколько лет. Управление шло с Земли с задержкой в несколько минут, а иногда и дольше, в зависимости от положения планет. 

Посадка: ключевой момент

После прибытия к Рюгу Hayabusa2 начал осторожно сближаться с ним, буквально «зависая» на небольшой высоте над поверхностью. Гравитация у астероида настолько мала, что при малейшем резком движении можно улететь обратно в космос. Поэтому зонд максимально снизил скорость, а затем подал мне команду на отстыковку.

  • Отделение. Я почувствовал легкий толчок — и оказался в свободном падении.
  • Приземление (точнее, «прилунение» на астероид). Коснулся реголита — так называют рыхлую поверхностную породу, состоящую из пыли, обломков и мелких камней.
  • Зацепиться. В отличие от тяжелых марсоходов, мы не имели массивных шасси и колес. Но моя конструкция была рассчитана на то, чтобы не отскочить, а лишь слегка пружинить.

MASCOT высадился отдельно, чуть позже, со своей системой «подпрыгивания и переворачивания», чтобы лечь на поверхность в нужной ориентации. У него (как и у меня) не было колес, а передвижение по поверхности осуществлялось короткими прыжками.

Прыжки по поверхности

После посадки я начал свою основную работу:

  1. Включил маховики. Их раскручивание смещало мой центр тяжести, и я делал аккуратный прыжок на несколько метров вдоль поверхности.
  2. Каждый новый «остановочный пункт». Оказывался в другой точке, делал серию снимков, замерял температуру реголита и проверял наличие магнитных аномалий. Также запускал инфракрасный спектрометр, чтобы понять, из каких минералов состоит поверхность Рюгу.
  3. Максимальная осторожность. Если дать слишком сильный импульс, можно было улететь в космос из-за слабого притяжения. Поэтому все мои «хопы» просчитывались заранее и были очень мягкими.
Анимация перемещения ровера по поверхности Рюгу. Изображение: JAXA

У MASCOT все происходило похожим образом, хотя у него была своя система ориентации и одноразовая батарея без подзарядки. Его задачей было выполнить весь комплекс измерений за 17 часов, пока батарея не разрядится.

Передача данных и связь

Мы оба не имели мощных антенн для прямой связи с Землёй. Все сведения о том, что мы видели и измеряли на Рюгу, шли через Hayabusa2. Когда космический аппарат «зависал» недалеко над поверхностью или проходил по траектории рядом со мной, я «скидывал» фото, телеметрию, результаты спектрального анализа. Hayabusa2 затем ретранслировал эти данные в Центры управления на Земле.

Поскольку у нас было мало времени, связи приходилось ждать «по расписанию»: материнский зонд не всегда находился над мной, а на любую команду с Земли требовалось время, чтобы дойти к астероиду.

Что я обнаружил

За свою короткую, но продуктивную миссию я вместе с напарником успел:

  • Провести визуальную съемку 
Фото с поверхности Рюгу. Источник: JAXA
  • Измерить температуру реголита и понять, как быстро он нагревается и остывает.

Измерения показали, что поверхность астероида довольно быстро нагревается до значений порядка -50+30 °C, а в тени и «ночью» температура опускается ниже -100 °C.  Это указывает на низкую теплопроводность (или «тепловую инерцию»), что характерно для рыхлой, «пористой» структуры реголита.

  • Поискать следы магнитных минералов 

По результатам измерений не выявлено сильного локального или глобального намагничивания; то есть ярко выраженных магнитных минералов (способных создать заметное поле) на Рюгу не обнаружено.

  • Проанализировать минеральный состав 

Спектральный анализ подтвердил, что Рюгу относится к классу углеродистых (C-type) астероидов: поверхность содержит богатые углеродом и, вероятно, гидратированные минералы. Некоторые данные указывают на присутствие органических соединений и соединений, связанных с водой, что подтверждает теорию о том, что подобные астероиды могли быть источниками воды и органики для молодой Земли.

Эти данные дали ученым уникальную информацию о том, как формировались малые тела в Солнечной системе и как вещества на их поверхности связаны с историей Земли.

Финал моего приключения

Для меня история закончилась тогда, когда запасы энергии в аккумуляторах подошли к концу, а для моих солнечных панелей стало мало света. MASCOT тоже успешно отработал свой «рабочий день» — 17 часов, собрав бесценные данные. Мы останемся на Рюгу навсегда, словно крошечные космические исследователи, которые, несмотря на свои скромные размеры, сделали огромный вклад в науку. Наше приключение показало, что даже самые малые и легкие аппараты могут работать в таких экстремальных условиях и раскрывать тайны далеких астероидов.


Лунное приключение «Прагъяна» Chandrayaan-3

Меня зовут Прагъян. Мое имя на санскрите означает «мудрость», и я — лунный ровер миссии Chandrayaan-3, разработанной Индийской организацией космических исследований (ISRO). Сегодня я хочу рассказать о себе, как я прибыл на поверхность Луны 23 августа 2023-го, и о своем приключении, которое продлилось до самого начала лунной ночи в первой половине сентября 2023 года. 

«Прагъян». Изображение: x.com

Путь к Луне и посадка

Свое путешествие я начал вместе с посадочным модулем Викрам. В отличие от аппаратов, которые могут пользоваться парашютами при посадке (скажем, на Марсе, где есть хоть и разреженная, но атмосфера), мы опирались исключительно на реактивные двигатели. Луна почти не имеет атмосферы, поэтому, если не включить тормозные двигатели, мягкой посадки не получится — мы бы просто врезались в ее поверхность. 

Викрам замедлялся и маневрировал, опираясь на данные лазерных дальномеров и камер: бортовой компьютер вел нас к максимально ровной площадке, чтобы я мог сойти без риска опрокинуться. По сути, это была полностью автоматическая посадка. Мой размер 91,7 × 75,0 × 39,7 см и масса, которая составляла около 26 кг, должны были дать мне мягко прилунится. Когда мы наконец коснулись реголита (лунной пыли и камней), я еще не совсем понимал, что меня ждет впереди — оставалось лишь доверять тем, кто создал меня на Земле. 

Первые минуты на лунном грунте

Спустившись по специальной аппарели, я ощутил слабую силу притяжения — всего 1/6 от земной. Мне стало легче, но одновременно осознал, что колесам, хоть и не нужно развивать большую мощность, придется иметь дело с коварной лунной пылью. Мелкий, абразивный реголит липнет ко всему и способен постепенно изнашивать механизмы. К счастью, у меня есть защита движущихся частей: особые уплотнители и материалы, стойкие к подобной пыли.

Сравнение силы гравитации

Моя конструкция и задачи

Я работаю на солнечной энергии: мои панели заряжают аккумуляторы в течение лунного дня (который длится около 14 земных суток). Зато лунная ночь тоже тянется примерно 14 дней, и если мне не удается пережить ее в спящем режиме, миссия может закончиться.

Камеры для навигации и съемки помогают моим операторам на Земле видеть, куда я направляюсь и какие объекты нас окружают. А благодаря спектрометрам для определения состава лунного грунта я рассказываю, какие элементы содержатся в породах под моими колесами. Тепловые датчики (или радиометры) для измерения температуры поверхности помогают ученым узнать, как быстро лунная почва нагревается и остывает и какие перепады температуры могут быть. Мое шасси рассчитано на невысокую массу при лунной гравитации. Протектор на колесах помогает лучше держаться на рыхлом реголите и предотвращает сильную пробуксовку. Я двигаюсь медленно и осторожно, не рискуя застрять или повредить себя.

О работе и общении с Землей

Расстояние от Луны до Земли составляет порядка 384 000 км, и радиосигнал идет около 1–1,3 секунды. Это позволяет мне получать команды и передавать обратно фотографии и показания приборов почти в реальном времени.

В отличие от роверов на обратной стороне Луны (где нужен ретрансляционный спутник), я могу связываться напрямую, когда Викрам и я находимся в зоне видимости Земли. Благодаря этому скорость и объем передаваемой информации довольно высоки.

Когда на Луне наступает ночь или когда условия оказываются неблагоприятными, я могу приостанавливать работу и засыпать. Коммуникации тоже сокращаются — моим разработчикам важно экономить энергию, чтобы я прожил как можно дольше.

Днем (на освещенной стороне Луны) температура может превышать +100 °C, а в тени и ночью опускаться до -170 °C и даже ниже. Мои механизмы должны выдерживать такие резкие скачки, а электроника — работать без сбоев. 

Микроскопические частицы лунной пыли легко пристают ко мне из-за электризации. Постепенно это может влиять на подвижность и эффективность солнечных панелей. Но специально разработанные материалы и покрытия помогают справляться с проблемой.

Моя миссия

Главная цель Chandrayaan-3 — доказать возможность безопасной посадки и передвижения на Луне, а также провести ряд научных исследований. Я, Прагъян, собираю данные о структуре грунта, фотографирую кратеры и равнины, чтобы ученые на Земле могли изучить особенности рельефа и выбрать оптимальные места для будущих миссий.

Кроме того, я помогаю отрабатывать технологии, которые однажды могут понадобиться при строительстве постоянной лунной базы — в том числе и для изучения возможностей добычи полезных ресурсов (например, воды или минералов).

Заключение

Мои создатели сделали отчет о моем путешествии. Хоть мое пребывание на Луне может быть относительно коротким по земным меркам, но для роботизированной миссии каждый день — это огромное достижение. В то время как на астероиде ровер прыгает и живет часы или дни, а на Марсе марсоход может трудиться годами, лунная среда — особенный мир, требующий точной адаптации и аккуратных решений. 


Марсианские скитания Curiosity и его летающего брата Ingenuity

Меня зовут Curiosity. Я — марсоход, запущенный NASA к Красной планете еще в 2012 году, и с тех пор я колесил по марсианской поверхности, преодолевая коварные склоны и песчаные дюны, делая геологические открытия в поисках признаков того, что когда-то Марс был обитаем. Моя история — это рассказ о невероятном путешествии и сложных технологиях, которые позволяют мне продолжать работу уже много лет подряд. Я больше своих собратьев с астероидов и Луны: моя масса — около 900 кг, а габариты примерно 3 × 2,7 × 2,2 м. У меня есть младший брат — вертолетик под названием Ingenuity, появившийся позже, в феврале 2021 года. Он действительно небольшой и весит всего 1,8 кг, а его высота — около 49 см

Curiosity, 3D-модель. Изображение: NASA

Вход в атмосферу и посадка «Sky Crane»

Я прибыл на Марс в капсуле, которая защищала меня при входе в атмосферу. Хоть марсианская атмосфера и разреженная — всего около 1 % от земной, — она все же позволила использовать теплозащитный экран и погасить большую часть скорости. После сброса экрана раскрылся парашют, специально рассчитанный на эти условия. Однако и его было недостаточно, чтобы совершить мягкую посадку, поэтому заключительную стадию посадки выполняла уникальная система Sky Crane:

  • Специальная платформа с реактивными двигателями зависла в паре десятков метров над поверхностью.
  • Меня аккуратно спустили на тросах прямо на марсианскую почву.
  • Затем тросы были отстрелены, а посадочная платформа улетела подальше, чтобы не повредить меня при столкновении с грунтом.

Так, 6 августа 2012 года, я оказался в кратере Гейл  — зоне моего исследования.

Как я двигаюсь и что изучаю

Мои шесть колес — это не просто «железные круги». Каждое из них может приводиться в движение отдельно, а сложная подвеска Rocker-Bogie обеспечивает хорошую устойчивость при движении по каменистому ландшафту. Поскольку марсианская поверхность полна обломков пород, а порой встречаются песчаные дюны, я перемещаюсь очень осторожно и не слишком быстро — всего несколько десятков сантиметров в секунду. Мне нужно обдумывать каждый шаг, чтобы не застрять в коварных песках, как это когда-то случилось с моим предшественником Spirit.

Демонстрация работы подвески Rocker-bogie. Изображение: Wiki

Мои приборы: от камер до лазера

  1. Камеры
    • Mastcam (панорамная камера): чтобы смотреть вдаль и делать впечатляющие снимки марсианских пейзажей.
    • Navcam и Hazcam: навигационные и обеспечивающие безопасность камеры, помогающие объезжать препятствия.
  2. Спектрометры
    • ChemCam (лазерная спектроскопия): я стреляю лазером по камням, испаряю небольшой участок породы, а встроенный спектрометр анализирует, из каких элементов она состоит.
    • APXS (Alpha Particle X-Ray Spectrometer): проверяю химический состав пород, соприкасаясь с поверхностью камня.
  3. Манипулятор с буром
    • Я способен бурить верхние слои почвы и камней, а затем анализировать полученный порошок во встроенных мини-лабораториях (SAM и CheMin). Так ученые могут узнать, какие минералы сохранились в глубине.
  4. Климатические датчики
    • У меня есть датчики температуры, давления и даже сенсор ультрафиолетового излучения. Я передаю всю эту информацию на Землю, чтобы люди понимали, какой «погодой» дышит Марс.

Мой ум и автономия

Связь с Землей может занимать от 3 до 22 минут в один конец в зависимости от положения планет. Поэтому, если я вижу камень на своем пути, мне нельзя ожидать мгновенных инструкций от операторов. Я умею автономно анализировать окружение, выбирать безопасный маршрут и избегать больших валунов или ям. После того как я проехал несколько метров, я отправляю отчет через один из марсианских орбитальных спутников (Mars Reconnaissance Orbiter, Mars Odyssey и др.) назад на Землю.

Мой источник энергии

В отличие от некоторых моих солнечных родственников (Spirit, Opportunity, Zhurong), которые зависят от Солнца и боятся пылевых бурь, я оснащен радиоизотопным генератором (RTG). Он вырабатывает постоянный ток, преобразуя тепло распада плутония-238 в электричество. Это дает мне независимость от марсианской погоды и позволяет работать даже тогда, когда наступает ночь или пыльные бури затмевают свет. Конечно, у меня все равно есть аккумуляторы, которые обеспечивают пики потребления энергии для движения колес и запусков лазера.

Младший брат — вертолет Ingenuity

Хотя мы не летели вместе в одной экспедиции, я смотрю на вертолетик Ingenuity (который прибыл вместе с марсоходом Perseverance в 2021 году) как на своего младшего брата. Он стал первым аппаратом, совершившим успешные полеты в разреженной марсианской атмосфере. Инженеры долго гадали, возможно ли вообще взлететь там, где давление в 100 раз ниже земного. Но Ingenuity доказал: это реально!

Ілюстрация Ingenuity на поверхности Марса. Изображение: NASA
  • Размеры и масса. Компактный легкий аппарат, который может подняться на несколько метров над поверхностью.
  • Роль разведчика. Он дает возможность заглянуть «за угол», выбирая самый безопасный путь для марсохода.
  • Сложность управления. Как и я, он не может получать команды моментально — задержка сигнала с Земли не позволяет оператору «рулить» вертолетом в реальном времени. Все основано на предварительно загруженных программах автономного полета.

Я с любопытством наблюдаю, как он взмывает над рыжеватым песком, и вспоминаю, как когда-то люди считали, что полеты на Марсе — чистая фантастика. Теперь же, благодаря Ingenuity, мы имеем первый опыт воздушной разведки Красной планеты.

Жизнь и связь с Землей

Каждый мой день на Марсе называется «сол» и длится чуть дольше земных суток (24 часа 39 минут). Я выполняю научные задачи, делаю фотографии, бурю породы, анализирую их, а к вечеру (или когда орбитальный ретранслятор пролетает над головой) я отправляю пакеты данных домой. Ученые на Земле «разбирают» мои фотографии, результат анализа пород и метеорологические данные. К следующему утру я получаю новые инструкции: куда ехать, что изучать, где сверлить.

Моя миссия

Моя главная цель — понять, существовали ли когда-нибудь на Марсе условия, благоприятные для жизни. Я исследовал русла древних рек, отложения, подобные озерным, искал органические молекулы — и уже сейчас ясно, что Марс когда-то имел воду в жидком состоянии и, возможно, атмосфера была плотнее. С каждым днем, с каждым сантиметром, который я проезжаю, я приближаюсь к ответу на вопрос: «Был ли когда-либо Марс обитаем?».

Взгляд в будущее

Мои открытия и данные, которые я отправляю обратно на Землю, — это часть большой научной программы, ведущей к тому, что однажды люди ступят на Марс. Мой младший брат Ingenuity показывает, что мы сможем использовать летающие аппараты для разведки будущих посадочных площадок и маршрутов. А мой коллега Perseverance сейчас собирает образцы пород для их возможной доставки на Землю в будущем.

Мы все — часть одной команды, работающей на поверхности Красной планеты, несмотря на миллионы километров и суровые условия. Меня зовут Curiosity, и, хотя я здесь уже много лет, мое любопытство к этой загадочной планете не ослабевает ни на секунду.


Каждый ровер — это высокоспециализированный аппарат, адаптированный под уникальные условия своей целевой среды. Если астероидным хопперам достаточно нескольких часов, чтобы сделать скачок по микрогравитации и выслать ценные данные, то лунный «Прагъян» проводит недели на холодном спутнике Земли, преодолевая пыль и экстремальные температуры, а ровер Curiosity, снабженный мощным RTG и полноценной «лабораторией на колесах», скрупулезно исследует горные породы Марса уже долгие годы.

Это пример того, как для каждой космической миссии создаются уникальные решения, и универсального ровера, подходящего одновременно для астероида, Луны и Марса, просто не существует.

Опасный астероид 2024 YR4 может врезаться в Луну вместо Земли
Между Луной и Марсом: NASA предлагает Трампу компромисс
Меньше бюрократии: Blue Origin уволит каждого десятого сотрудника
«Живое» небо: захватывающее видео дрейфа облаков на Марсе
Прощай, Земля: аппарат Blue Ghost сделал потрясающее космическое селфи
Hubble и Chandra собрали звездный букет на День святого Валентина
Постичь безграничный космос: существует ли конец Вселенной?
Самое мощное нейтрино в истории: обнаружена частица с энергетическим рекордом
От Колумбии до Индии: куда может упасть астероид 2024 YR4
Департамент Илона Маска займется проверкой платежей NASA