Політ над червоною пустелею

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 60

Все спочатку здавалося оптимістичним. Ще нацистський ракетник і батько американської космічної програми Вернер фон Браун марив про космічні апарати, що здійснюють на Марсі літакову посадку. Знаменитий інженер знав, що на Червоній планеті є атмосфера, але не мав достатніх відомостей про її склад. Коли прийшли більш точні дані, з’ясувалося, що плани фон Брауна — це ненаукова фантастика.

Літаки, вертольоти, аеростати… Все це чудово літає в щільній, насиченій кисневому атмосфері, але, на жаль, здається абсолютно непридатним за межами Землі. В освоєнні космосу ми довго сподівалися виключно на ракетні двигуни і реактивний рух. Ну, можливо, ще на колесо. Але все ж інопланетні авіація і повітроплавання можливі, ось тільки нові апарати для польотів в чужих атмосферах доведеться зробити дуже спеціальними.

Коптер і надува

Жоден створений для земної атмосфери літальний апарат, оснащений поршневим або турбореактивним двигуном, на Марсі літати б не зміг. Для підтримки горіння в цих моторах потрібна велика кількість кисню, а в марсіанській атмосфері його менше одного відсотка. В основному газову оболонку Червоної планети становить вуглекислий газ (95%) з невеликими додаваннями аргону і азоту (4%). Таким чином, якщо ми хочемо, щоб на Марсі щось літало, доведеться зупинити свій вибір або на електромоторі, або на іншому двигуні, якому не потрібно кисень з атмосфери. У 1970-х роках NASA випробовувало зразок безпілотного апарату Mini-Sniffer, який міг би працювати на Марсі. В якості палива в двигуні використовувався отруйний гідразин: під дією каталізатора і за відсутності кисню він нагрівався, розкладався і видавав розширюючі продукти реакції, що дозволяло застосовувати цю речовину як паливо і робоче тіло.

Запустити в марсіанське небо крилатий апарат задумали давно, і першою проблемою стало паливо для моторів: двигуни, що використовують атмосферний кисень, ні на Марсі, ні на Титані не знадобилися б. На прототипі Mini-Sniffer американці намагалися використовувати гідразин — отруйне паливо, яке саморозкладається при нагріванні

Для марсіанської авіації є хороша новина: сила гравітації на Марсі сильно нижча, і земні 100 кг потягнуть там всього на 38. А ось новина погана: атмосфера Марса надзвичайно розріджена і тиск біля поверхні планети становить близько одного відсотка від тиску на поверхні Землі. Це приблизно відповідає тиску земної атмосфери на висотах 30 000-35 000 м над рівнем моря. Так, але ж там літаки літають! 30 000 м — це практична стеля для висотного перехоплювача Міг-31.

Як відомо, підйомна сила крила прямо пропорційна його площі, а також швидкості набігаючого потоку повітря. Міг-31 не падає з 30 км тому, що він долає там повітряний простір на надзвукових швидкостях. Але на Марсі на таких швидкостях доведеться літати навіть біля самої поверхні. Забезпечити швидкість просто: були проекти марсіанських безпілотних літаків, наприклад ARES, які повинні були входити в атмосферу Червоної планети, потім скидати теплозахисний кожух, гальмувати за допомогою парашута, включати свій двигун і нестися над поверхнею Марса, поки вистачить палива (того ж гідразину).

Такий політ міг би тривати до години. Але практично від усіх цих ідей відмовилися через їх… марності. Насправді, зараз поверхня Марса досліджується з орбітальних модулів, і, незважаючи на оснащеність супероптикою, деталізація знімків залишає бажати кращого (30 см на піксель). Ровер, що їде по поверхні планети, буквально риється в грунті, але йому не вистачає огляду. Картографування місцевості, розвідка навколишнього ландшафту роверу не під силу. Заповнити нішу між двома типами дослідницьких апаратів якраз міг би міні-зонд, що літає в атмосфері. Але для ґрунтовного спостереження за місцевістю потрібно не носитися над нею на шалених швидкостях, а здійснювати плавні кола в небі.

1. Лопасті ротора спеціально адаптовані до нещільної марсіанської атмосфери, при цьому їх обертання залишається в комфортній дозвуковій зоні.

2. Обмін з цифровими даними на поверхні ровера здійснюється у високочастотному діапазоні.

3. Завдяки радіолучу радіометричної установки вертоліт знаходиться завжди на деякій відстані від ровера.

4. Шар аерогеля і спеціальний підігрівач дозволяють батареї не розряджатися в холодні нічні години.

5. Гнучкі легкі ніжки, активний зір і висотомір забезпечують безпечну посадку на поверхню.

6. Високий рівень автономності забезпечується наявністю на борту камери і цілого ряду сенсорів, дані від яких обробляються комп’ютером, що вміє відстежувати помилки.

7. Цифрова камера дає можливість з високою роздільною здатністю фотографувати місцевість, що знаходиться в радіусі 600 м від ровера.

8. Для підзарядки енергією будуть використані сонячні батареї.

Можливо, літальний апарат на Марсі зміг би літати повільніше, якщо брак швидкості компенсувати більшою площею крила? Це цікава ідея (електролітак-крило Helios піднімався в стратосферу Землі), але велике крило з розмахом в кілька метрів доставити на планету проблематично. Можливе рішення пропонують співробітники університету штату Арізона Адріан Бускела і Аман Чандра. Їх концепт — безмоторний планер (розмах крил 6 м), який відокремлюється від модуля на висоті 2 км над поверхнею Марса, надувається азотом, а вся конструкція завдяки світловідтвержуваному матеріалу протягом десяти хвилин отримує необхідну жорсткість. Ідея з надуванням допомагає мінімізувати обсяг, який знадобиться для розміщення планера під час польоту. Апарат, оснащений 5-мегапіксельною камерою, зможе ловити висхідні теплові потоки і парити над Марсом на швидкості до 360 км/год.

Дуже привабливі для дослідження марсіанської поверхні аеростати, які цілком довели свою здатність літати в стратосфері, де, як ми знаємо, умови майже марсіанські. Агентство NASA заявляло, що роботи над такими аеростатами ведуться, причому розглядаються два варіанти: куля, накачана гелієм, і монгольф’єр. Останній наповнюватиметься звичайним марсіанським «повітрям», але за рахунок нагрівання сонцем у денний час гази всередині оболонки розширяться, і апарат отримає позитивну плавучість.

Шалений гвинт

Як би там не було, але першим апаратом, який підніметься в марсіанське небо, стане все-таки вертоліт. Дітище Лабораторії реактивного руху — JPL Mars Helicopter Scout — зможе опинитися на Марсі вже в 2021 році на борту новітнього американського ровера Mars 2020. Багато в чому це, звичайно, буде не повноцінний науковий зонд, а всього лише демонстратор для прийдешніх гвинтокрилих апаратів.

Важить Scout всього 1,8 кг і не несе на борту ніякого наукового обладнання крім камери. Лопаті його двох соосних гвинтів будуть приводитися в рух електродвигуном, а той, у свою чергу, стане живитися від батареї, що підзаряджається від сонячного елемента. Безпілотний вертоліт зможе здійснювати всього один політ в день тривалістю 90 с, решта часу піде на підзарядку. У польоті апарат здатний підніматися на висоту 400 м і відлітати на 600 м. Вертолітна схема дозволяє уникнути руху з величезними швидкостями, які знадобилися б апарату з фіксованим крилом, щоб зберігати підйомну силу. Однак з цією ж метою ротору вертольота доведеться обертатися раз на 10 швидше (до 2800 об/хв), ніж це було б необхідно на Землі. Враховуючи, що довжина однієї лопасті становить 1,2 м, а сам апаратик — це куб з межею 14 см, легко здогадатися, чому «Скауту» не вистачає енерговозброєності для польотів довше півтора хвилин. Випробування у вакуумній камері, де був створений аналог жиденької атмосфери Марса, показали, що вертоліт успішно відривається від поверхні. Можливо, через пару років ми побачимо зняті ним кадри марсіанських ландшафтів.

Верхи на зірці

На Венері все навпаки, і літати там доведеться по-іншому. Атмосфера Ранкової зірки схожа з марсіанською (те ж переважання вуглекислого газу), але щільність її набагато вища. Завдяки парниковому ефекту поверхня Венери нагрівається ще сильніше, ніж у ближчого до Сонця Меркурія. Таким чином, на Венері твориться суще пекло. Тиск на поверхні не стратосферний (як на Марсі), а глибоководний (як у нашому океані на глибині 1 км). Спуск в цю преисподнюю — завдання не для літаків, а для якихось фантастичних жаропрочних батискафів. Радянський досвід вивчення Венери показав, що апаратура наукового зонда, який здійснив м’яку посадку, не може працювати в цій пічці (477 градусів) довше години. І вже в ті часи стало зрозуміло, що оптимальний варіант — це аеростати. За допомогою аеростатів вивчали венеріанську атмосферу радянські міжпланетні станції «Вега-1» і «Вега-2».

В атмосфері Венери на висоті приблизно 50 км знаходиться зона, де і температура, і тиск близькі до земних. Ще в радянських науково-популярних журналах 1970-х років описувалися пілотовані експедиції до Венери зі створенням плаваючих в атмосфері баз-аеростатів, з яких можна було проводити глибинне зондування атмосфери і поверхні. Ідея не померла й донині. У надрах NASA розроблена концепція HAVOC, в рамках якої планується розмістити у венеріанській атмосфері спочатку безпілотний роботизований дирижабль, а потім і кластер пілотованих аеростатів. Правда, ніяких термінів реалізації цих планів NASA не повідомляє. Можливо, проект дістанеться прийдешнім поколінням. Є й інші цікаві проекти в цьому напрямку. Наприклад, венеріанський літак VAMP (Venus Atmospheric Maneuverable Platform), розроблений інженерами Northrop Grumman. По суті, це дирижабль аеродинамічної форми (типу «літаюче крило»), оснащений парою пропелерів, що приводяться в рух електромоторами). Літати він повинен все на тій же благословенній висоті 50-55 км, але довго, можливо роками, отримуючи енергію від сонця.

Придуманий інженерами Northrop Grumman венеріанський літальний апарат буде являти собою гібрид надувного аеростата і електролітака типу «літаюче крило», мотори яких стануть живитися електрикою від батарей

«Стрекоза» на Титані

Супутник Сатурна Титан просто рай для аеродинамічних польотів. Атмосфера Титана (до речі, чудово захищає від радіації) в чотири рази щільніше земної, зате сила тяжкості в 7 разів менше, через що тиск на поверхні лише в 1,45 рази вище земного. Кажуть, там маленький літак типу Cessna можна піднімати в небо за допомогою педального приводу, а Дідал і Ікар цілком могли б літати, розмахуючи крилами.

Літати на Титані — одне задоволення: тиск, що ненабагато перевищує земне і крихітна сила тяжкості. Вагомий майже півтонни ровер-октокоптер DragonFly зможе здійснювати тривалі польоти в небесах супутника Сатурна, картографуючи місцевість з близької відстані

На Титані, звичайно, дуже холодно, зате політ в атмосфері вимагає мінімум енергії. DragonFly («Стрекоза») — це найбільш просунутий на сьогоднішній день проект літаючого ровера для дослідження супутника Сатурна. Проект розроблений Університетом Джонса Хопкінса і включений NASA в програму «Нові горизонти». Запуск корабля з ровером на борту має відбутися 2026 року. Це не крихітний двокілограмовий марсіанський гвинтокрил — DragonFly матиме масу близько 490 кг. У повітря його піднімуть чотири пари соосних гвинтів з електричним приводом. Енергією батарею забезпечить радіоізотопний термоелектричний генератор. На апарат встановлять масу обладнання, в тому числі камери, бури для забору ґрунту, спектрометри і різноманітні сенсори. Завдяки тривалим польотам апарат зможе обстежити величезні території, що недоступне колісним роверам. До слова, у DragonFly був менш удачливий, але більш видовищний конкурент. Це проект AVIATR — концепція безпілотного літака, який, будучи оснащеним радіоізотопним генератором Стірлінга, міг би безперервно близько року літати над поверхнею Титана, а наприкінці польоту спробував би здійснити м’яку посадку. На жаль, роботи над AVIATR так і не отримали достатнього фінансування.