Блог компании МТС. @Petr0v1. Марсолёт Ingenuity — удивительный научный инструмент, который «смог». Что именно? Во-первых, он доказал саму возможность совершения полётов в атмосфере другой планеты. Соответственно, теперь NASA разрабатывает «наследников» этого вертолётика, которые, если всё пойдёт гладко, тоже смогут исследовать другие планеты. Об этом поговорим в статье.

Во-вторых, он позволил подтвердить необязательность установки сверхзащищённого оборудования на системы, которые работают вне Земли. Конечно, это не всегда возможно, но в ряде случаев — да. А ещё Ingenuity оснащён весьма современным «железом», способным дать фору практически всем космическим аппаратам недалёкого прошлого. Подробности — под катом.

Что там с производительностью

О том, сколько Ingenuity совершил полётов и какие открытия сделал, сегодня говорить не будем, лучше обсудим особенности компьютерной системы устройства, да и не только это. Всё дело в том, что инженеры были ограничены свойствами атмосферы Марса — она гораздо более разрежена, чем земная, а значит и масса вертолётика тоже должна быть очень небольшой. В итоге Ingenuity весит менее 2 кг.

И это при том, что летательный аппарат включает лопасти, аккумуляторы, компьютер, ряд датчиков и камер, опоры, солнечную панель. О вычислительном модуле стоит упомянуть отдельно. Обычно в роверы и космические телескопы устанавливают RAD750, который сам по себе небольшой, для Марса нужно было ещё меньше. Масса его — около 1 кг, что при ограничениях в 2 кг общей массы вертолётика — предел желаний.

Достоинство RAD750 в том, что он может работать в самых сложных условиях. Вот что говорит нам «Википедия»: «RAD750 — радиационно устойчивый одноплатный компьютер на базе одноимённого процессора, производится BAE Systems Electronic Solutions (США). Является преемником RAD6000 и применяется в средах с повышенной радиоактивностью, таких как спутники и космические аппараты. Представлен в 2001 году, а первое использование в космосе датируется 2005 годом. Базируется на архитектуре семейства процессоров PowerPC 750 производства IBM».

Чип выпускается в корпусе CGA (360 штырьковых контактов), имеет 10,4 млн транзисторов (против 1,1 млн у RAD6000) и производится по 250– или 150-нм технологии. Площадь кристалла составляет 130 мм². Имеет частоту ядра от 110 до 200 МГц с производительностью от 266 до 400 MIPS. Кэш первого уровня — 8-канальный, 32 Кб для данных, 32 Кб для инструкций. Кроме того, имеет возможность подключения внешнего кэша второго уровня объёмом до 1 Мб. Потребляет 5 Вт энергии. Может выдержать от 200 000 до 1 млн рад, диапазон рабочих температур — от −55 °C до 125 °C. Стандартная одноплатная система RAD750 в составе самого процессора и материнской платы потребляет 10 Вт энергии, может выдержать 100 000 рад, температурный диапазон — от −55 °C до 70 °C.

Аппараты, которые им оснащены:

• Deep Impact, январь 2005, первое внедрение RAD750
• Mars Reconnaissance Orbiter
• XSS 11
• Fermi Gamma-ray Space Telescope (GLAST), 2008
• пара RAD750 на спутнике ДЗЗ WorldView-1 (часть программы NextView Национального агентства геопространственной разведки), 2007
• телескоп Kepler, 2009
• Lunar Reconnaissance Orbiter, 2009
• Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), 2009
• Solar Dynamics Observatory, 2010
• Juno, 2011
• марсоход Curiosity, 2011
• Landsat 8, 2013
• MAVEN, 2013
• марсоход Perseverance, 2020
• космический телескоп «Джеймс Уэбб», 2021

Что получил наш вертолётик? Процессор Qualcomm Snapdragon 801, который устанавливался в смартфоны года эдак с 2015. При этом компьютер Ingenuity сразу стал самым производительным среди всех аппаратов вроде роверов и космических телескопов. «Процессор Ingenuity в 100 раз мощнее, чем у любых систем, которые JPL отправило в глубокий космос, вместе взятых. Это означает, что если сложить всю вычислительную мощность, которая была задействована в ходе крупных миссий NASA за пределами околоземной орбиты, от “Вояджера” до “Юноны”, от “Кассини” до космического телескопа “Джеймс Уэбб”, производительность крошечного чипа Ingenuity будет более чем в 100 раз выше", — заявили в агентстве.

Разработчикам удалось изрядно сэкономить. Если стоимость RAD750 составляет около $250 000, то чип Qualcomm Snapdragon 801 в лучшем случае стоит несколько долларов США. Более того, внутри аппарата установлены литиевые батареи, вполне обычные, а не сверхзащищённые. И это при том, что на Марсе очень большая волатильность температур — от –90 °C до 20 °C.

Инженеры создали если не технологическое совершенство, произведение научного искусства, то близко к тому. Радиационное излучение не уничтожило компьютер Ingenuity, а температурные колебания — аккумуляторы. В течение очень долгого времени нормально работало всё — авионика, датчики, камеры. Единственное, с чем возникла проблема, как известно, — лопасти, но здесь никто не виноват, вертолётик и так проработал гораздо дольше, чем планировалось.

Так что теперь, учитывая полученный опыт и знания, инженеры и учёные смогут проектировать более лёгкие и современные устройства, которые будут производительнее и функциональнее всего, что было до этого. Это очень облегчает работу специалистов, которые проектируют «наследников» Ingenuity, и заодно делает будущие миссии не такими дорогими.

А что там с новыми миссиями?

Их немало. Сейчас NASA и другие организации разрабатывают новые проекты летательных аппаратов для Марса и прочих планет и их спутников. Так, например, группа китайских учёных под руководством Бянь Чуньцзяна из Национального космического научного центра (NSSC) в Пекине разрабатывает вертолёт для полётов на Марсе.

Конструкция нового марсолёта похожа на устройство предтечи — всё те же два набора лопастей на одной мачте ротора для обеспечения подъёмной силы при вертикальном взлёте и посадке в разрежённой марсианской атмосфере. Но он несколько больше, кроме того, по замыслу китайских инженеров, аппарат сможет летать на высоте 5–10 м, достигая скорости около 300 м в минуту, с возможной продолжительностью полёта в 3 минуты.

Скорее всего, китайский летательный аппарат будет сопровождать китайский же марсоход, который отправят на Красную планету в 2028 году.

Что касается NASA, то американское агентство разрабатывает систему, которая в целых 6 раз больше предшественника. Масса нового устройства составит 30 кг. Оно будет работать без привязки к марсоходу, используя собственный манипулятор и микробур, чтобы доставить образцы обратно на посадочный модуль.

Гексакоптер займётся поисками подземного водного льда на большой площади, а также будет собирать атмосферные данные из нижних слоёв газовой оболочки Марса, которые трудно измерить с поверхности или орбиты. Кроме того, система сможет прямо в полёте брать образцы грунта — например, со стенок кратеров.

И это лишь Марс, научные организации разных стран планируют отправить летательные аппараты и на другие планеты и спутники Солнечной системы. Например, Венеру и Титан. По словам Мелиссы Трейнер, заместителя руководителя исследовательской группы по подготовке миссии «Драгонфлай», Титан — идеальное место для летательных аппаратов тяжелее воздуха. Просто в силу того, что там низкая гравитация и плотная атмосфера.

Правда, из-за облачного покрова на Титане не так много солнечной энергии. Но это поправимо — благодаря размерам (гораздо больше марсолёта) «Драгонфлай» сможет нести разработанную NASA мощную атомную батарею.

Что касается Венеры, то эта планета одновременно и подходит, и не подходит для полётов. Положительный момент в том, что атмосфера там гораздо плотнее земной, примерно в 90 раз, так что аппарат может быть реально большим. Отрицательный же заключается в том, что температура поверхности Венеры составляет +475 градусов Цельсия, а давление — 93 бара, что примерно соответствует полуторакилометровой глубине океана.

Возможно, учёные запустят на Венеру что-то вроде самолёта на солнечных батареях, который будет продолжительное время летать над облаками, а не коптер. Там и температура не такая высокая, и атмосфера гораздо менее агрессивная. Планируется также использовать двигатель Стирлинга, преобразующий внешнее тепло в электричество.

Но что бы мы ни увидели в будущем, ясно одно — маленький вертолётик Ingenuity проделал поистине колоссальную работу для всего человечества.