Без новых посадочных модулей или марсоходов для марсианской программы НАСА останутся только вертолеты.

По оценкам НАСА, стоимость проекта SR-1 Freedom составляет 2,1 миллиарда долларов, но эта сумма не включает стоимость вертолетов.

Один из прототипов марсианских вертолетов компании AeroVironment. Фото: AeroVironment. Один из прототипов марсианских вертолетов компании AeroVironment. Фото: AeroVironment.

Впервые за более чем 30 лет у НАСА нет конкретных планов по отправке на Марс новых посадочных аппаратов или марсоходов. Вместо этого, в ближайшем будущем агентство сосредоточит свои усилия на использовании беспилотных летательных аппаратов — новаторском методе исследования, который еще несколько лет назад казался нереалистичным.

Первое реальное применение дронов в научных исследованиях на Марсе произойдет в рамках миссии SkyFall, включающей флот из трех вертолетов, запуск которых запланирован уже на конец 2028 года. Вертолеты SkyFall отправятся на Красную планету в составе миссии NASA Space Reactor-1 «Freedom», основная цель которой — демонстрация ядерно-электрической двигательной установки в дальнем космосе.

График запусков SR-1 Freedom и SkyFall, проектов, которых еще полгода назад даже не существовало в портфеле НАСА, очень амбициозен. План НАСА по миссии SR-1 Freedom, стоимость которой оценивается в 2,1 миллиарда долларов, предусматривает перепрофилирование основного модуля отмененной лунной космической станции Gateway в испытательный стенд для ядерно-электрической двигательной установки. SkyFall будет основан на успехе НАСА с вертолетом Ingenuity, экспериментальным аппаратом, который стал первым вертолетом, совершившим полет на другой планете в 2021 году.

Лаборатория реактивного движения НАСА сотрудничает с компанией AeroVironment, разработчиком высотных беспилотников, для проектирования и создания трех вертолетов SkyFall, а также одного запасного. Эта же команда пять лет назад разработала вертолет Ingenuity, который совершил посадку на Марсе вместе с марсоходом НАСА Perseverance.

Ведется разработка.

Компания AeroVironment на прошлой неделе объявила о получении контракта от JPL на «совместную разработку и производство» трех вертолетов SkyFall. Вертолет Ingenuity совершил 72 полета, прежде чем потерпел крушение в начале 2024 года, что значительно превысило первоначальный план миссии, предусматривавший пять испытательных полетов. Инженеры работают над созданием вертолетов SkyFall на основе конструкции Ingenuity. Новые аппараты будут несколько больше, чем Ingenuity — примерно на 2,5 килограмма (5,5 фунтов) вместо 1,8 килограмма (4 фунтов) — и будут оснащены модернизированными несущими винтами для работы с более тяжелой полезной нагрузкой.

«SkyFall покажет, что „ марсианские вертолеты можно создавать как повторяющуюся производственную линию, а не как единичный экземпляр“», — сказал Джефф Родриан, руководитель подразделения MacCready Works компании AeroVironment, занимающегося передовыми исследованиями и разработками.

Компания AeroVironment отвечает за системы несущего винта, планеры, конструкции, интеграцию авионики и размещение научных полезных нагрузок на вертолетах, говорится в пресс-релизе компании. JPL разработает систему электропитания, электронику, алгоритмы и программное обеспечение, а также георадар для поиска неглубокого подповерхностного льда под поверхностью Марса. Каждый вертолет также будет нести комплект камер и датчиков для сбора данных об атмосфере Марса.

Это усовершенствованная версия Ingenuity, которая несла две камеры, но не имела сложных научных приборов. Дальность действия Ingenuity была ограничена необходимостью связи через базовую станцию на марсоходе Perseverance, в то время как SkyFall сможет передавать и принимать данные через орбитальные ретрансляторы связи, пролетающие над ней.

Этот снимок марсианского вертолета Ingenuity НАСА был получен с использованием данных, собранных прибором Mastcam-Z на борту марсохода Perseverance 2 августа 2023 года. Кредит: NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS

«Мы изучали планы запуска НАСА, пытаясь выяснить, когда у нас появится возможность протянуть руку и получить еще один полет на марсоходе, посадочном модуле или любом другом аппарате, направляющемся к поверхности Марса», — сказал Уилл Померанц, руководитель космических проектов в AeroVironment. « И стало ясно, особенно после изменения планов по возвращению образцов с Марса, что в ближайшее время ничего на поверхность Марса вряд ли будет доставлено, и мы не хотели ждать».

Поэтому инженеры разработали новый метод доставки вертолетов SkyFall на Марс. Вместо того чтобы лететь на марсоходе, как это делал Ingenuity, SkyFall отделятся от космического аппарата SR-1 Freedom при приближении к красной планете. Они войдут в атмосферу Марса, находясь внутри защитного теплозащитного экрана, а затем отделятся, чтобы самостоятельно совершить посадку.

«Это стало началом обсуждения того, что теперь известно как маневр SkyFall», — сказал Померанц. «Мы считаем, что это достижимо. Мы думаем, что можем осуществить миссию, в ходе которой вертолеты будут выброшены за борт… которые выйдут из спускаемой капсулы, изначально входящей в атмосферу Марса, и им не потребуется посадочный модуль или марсоход для подъема на поверхность».

«Нас очень воодушевила эта идея, — продолжил он. — Опять же, это открывает новые операционные режимы и, честно говоря, новые стартовые окна для исследования поверхности Марса по новой цене, что меня очень радует, и, возможно, позволит добраться до мест, куда было бы невозможно попасть любым другим способом исследования».

Ограничения по стоимости и массе

НАСА не раскрыло предполагаемую стоимость миссии SkyFall, а представитель агентства отказался предоставить Ars информацию о стоимости контракта JPL с AeroVironment.

Несмотря на преимущества, дроны, подобные SkyFall, имеют свои ограничения.

Благодаря достижениям в области миниатюризации стало возможным размещать полезные нагрузки, такие как радары, на платформах размером с SkyFall. Но на марсианском вертолете нет места для размещения полного набора приборов марсоходного класса. Это означает, по крайней мере, пока, что не допускаются роботизированные манипуляторы, буры или полезные нагрузки для поиска свидетельств существования жизни в прошлом или настоящем. Миссия георадаров SkyFall возвращает нас к многолетней стратегии НАСА по исследованию Марса: следовать за водой.

В марте администратор НАСА Джаред Айзекман объявил о поддержке агентством миссии SkyFall, а также космического корабля SR-1 Freedom. Явным приоритетом НАСА при администрации Трампа является создание лунной базы на поверхности Луны. Айзекман также выступает за ядерные двигатели и ищет возможности для «побед», которые были бы доступными и достижимыми в ближайшие несколько лет. SkyFall идеально подходит под эти критерии.

«Мы усердно работаем уже пару месяцев, — сказал Померанц. — Мы снова укладываемся в сроки и бюджет, — эти волшебные слова, которые мне не так часто удавалось произнести за всю мою карьеру в аэрокосмической отрасли, но которые я произносил по поводу каждого проекта вертолета для Марса, который мы реализовали здесь, в AV».

Один из недавних прорывов в наземных испытаниях связан с более крупными лопастями несущего винта, которые будут установлены на вертолетах SkyFall. Атмосфера Марса разрежена, ее плотность составляет всего 1 процент от плотности воздуха на уровне моря на Земле, поэтому вертолеты, летающие на Марсе, должны вращать свои винты быстрее, чем на Земле, чтобы создавать подъемную силу. Более тяжелым аппаратам требуется большая подъемная сила, чем более легким, поэтому винты на SkyFall будут больше, чем на Ingenuity. Это означает, что концы винтов на SkyFall будут рассекать марсианский воздух со сверхзвуковой скоростью. Конструкторы Ingenuity намеренно не допустили превышения скорости Маха 1, опасаясь разрушения лопастей.

В начале этого года инженеры поместили лопасти ротора размером со ракету SkyFall в испытательную камеру и раскрутили их до максимальной скорости 1,08 Маха, не причинив им никакого вреда.

«Нам удалось поднять кончики несущих винтов выше скорости звука, — сказал Померанц. — Это вселяет в нас огромную уверенность в возможности управлять аппаратами наиболее эффективным способом. Это также вселяет в нас огромную уверенность в возможности выполнить маневр SkyFall и пройти через режим первого полета, когда мы выйдем из спускаемой капсулы и спустимся на землю».

НАСА все еще находится в процессе выбора места посадки для SkyFall, но поиски погребенного водяного льда могут приблизить вертолеты к постоянным ледяным шапкам на марсианских полюсах. По словам Померанца, инженеры из Лаборатории реактивного движения и AeroVironment работают над созданием более крупной солнечной панели для повышения выработки электроэнергии в высоких широтах. Также пока рано говорить о том, как ученые будут использовать вертолеты. После прибытия на Марс они могут разлететься в разных направлениях, или же проводить скоординированные наблюдения вместе.

«Это невероятно крутая миссия. Она сама по себе является демонстратором технологий, показывающим маневр SkyFall», — сказал Померанц. «Кроме того, наша цель — выполнить научную миссию, летая со специализированными научными приборами, включая георадар».

Иллюстрация художника, изображающая вертолеты SkyFall, готовящиеся к высадке на Марс. Источник: NASA/JPL-Caltech

Вертолеты и больше ничего.

Несмотря на ажиотаж вокруг фильма «Скайфолл», для программы НАСА по исследованию Марса настали трудные времена. Космическое агентство отменило попытку роботизированной доставки образцов горных пород с Марса на Землю из-за резко возросших затрат, включая, по одной независимой оценке, 11 миллиардов долларов. Последний марсоход НАСА, Perseverance, совершил посадку на Красной планете в 2021 году с целью сбора образцов для последующей доставки на Землю. Только миссия Perseverance обошлась НАСА примерно в 3 миллиарда долларов.

В то же время бюджет НАСА на миссии по изучению планет за последние несколько лет сократился. Администрация Трампа хотела бы видеть его сокращение еще больше.

Это не значит, что марсианская программа мертва. НАСА является младшим партнером миссии Европейского космического агентства «Розалинд Франклин» — марсохода, запуск которого запланирован на 2028 год для бурения марсианской коры в поисках биомаркеров. Два небольших орбитальных аппарата, входящие в миссию НАСА ESCAPADE, направляются к Марсу после запуска в прошлом году для изучения взаимодействия марсианской атмосферы и солнечного ветра.

Стратегия НАСА по исследованию Марса в будущем во многом напоминает подход агентства к освоению Луны: покупка коммерческих аппаратов. В долгосрочной перспективе это может окупиться, но, как и в случае с коммерческими лунными миссиями, процесс обучения, вероятно, будет сложным, особенно для посадочных аппаратов. Спустя восемь лет программа НАСА по созданию роботизированных коммерческих лунных посадочных аппаратов, известная как CLPS, до сих пор не набрала обороты. Партнерство агентства со SpaceX и Blue Origin в рамках пилотируемых лунных посадочных аппаратов — это отдельный вопрос.

Новая коммерческая стратегия НАСА по исследованию Марса начинает приносить плоды. В июне космическое агентство объявило о партнерстве с компанией Relativity Space для разработки коммерческого орбитального аппарата, который доставит на Марс несколько научных приборов для исследовательского центра НАСА имени Эймса. НАСА и Relativity не раскрыли технические и финансовые детали соглашения.

Ожидается, что НАСА объявит победителя конкурса на разработку марсианской телекоммуникационной сети позднее в этом году. Эта сеть дополнит и заменит возможности ретрансляции связи, которые в настоящее время обеспечивают устаревающие научные орбитальные аппараты НАСА на Марсе, для связи наземных диспетчеров с марсоходами Perseverance и Curiosity, исследующими марсианскую поверхность.

По словам Померанца, каждая из этих миссий может стать кандидатом на доставку дополнительных вертолетов на Марс.

«Безусловно, моя цель, и наша точка зрения в AeroVironment, состоит в том, чтобы вертолеты отправлялись на Марс в каждое стартовое окно, и чтобы они летали вместе практически со всеми другими системами, которые направляются на поверхность Марса, а теперь даже и на орбиту Марса», — сказал он. «Они открывают действительно крутые возможности для научного сообщества и для сообщества исследователей-пилотов в конечном итоге, и это возможно только в том случае, если их легко будет выводить на орбиту, потому что они всегда готовы, всегда вовремя и не так уж дороги».

«Одна из вещей, которые мне нравятся в вертолетах, — это то, что они отлично подходят для исследования регионов, — сказал Померанц. — Мы можем пролетать более километра за один полет. Возможно, в некоторых широтах со временем станет возможным летать более одного раза в день. Опять же, я не говорю, что это произойдет именно с этими вертолетами, но технология вертолетов для исследования Марса позволяет это делать».

Источник: arstechnica.com