Miniwiropłat na Marsie, czyli eksploracja planetarna na nowym poziomie [KOMENTARZ]

"Percy" i jego latający towarzysz

W czwartkowy wieczór 18 lutego br. amerykański łazik Perseverance bezpiecznie wylądował na Marsie. Wydarzenie skupiło na sobie uwagę obserwatorów i pasjonatów wypraw kosmicznych z całego świata, którzy powszechnie śledzili przekaz na żywo z centrum kontroli misji NASA Mars 2020. Nieco w tle przewijała się także informacja, że oprócz samego kołowego robota, eksplorację Marsa będzie prowadził również wyjątkowy latający dron, podczepiony na czas podróży do podwozia łazika. Jest nim miniaturowy śmigłowiec Ingenuity, wyposażony w przeciwskrętny (podwójny) wirnik nośny. Zdaniem komentatorów, to właśnie ten system, będący nadal demonstratorem technologii, może zapoczątkować rewolucję w eksploracji innych światów. Ma umożliwić nie tylko poznawanie znacznie bardziej rozległych obszarów, ale również zapewnić zwielokrotnioną responsywność, wszechstronność i zdolności wpływania na przebieg misji (poprzez wskazywanie dodatkowych miejsc wartych zbadania, bez ograniczenia ze strony przeszkód terenowych).

Co do ogółu, specjaliści z NASA w ramach misji Perseverance stawiają sobie do realizacji co najmniej kilka celów naukowych. To m.in. poszukiwanie śladów występowania organizmów, pomiary składu chemicznego i mineralnego marsjańskiego gruntu, a także: temperatury, siły wiatru, ciśnienia, wilgotności względnej i właściwości unoszącego się w atmosferze pyłu. Zdecydowaną większość tych założeń łazik Perseverance ma spełniać samodzielnie, przemierzając twardą powierzchnię Marsa. Jego latający "kompan" jest w tym przypadku bardziej obiektem testowym, niemniej jednak powinien pozwolić m.in. na sprawdzenie warunków aerodynamicznych, jakie występują na Czerwonej Planecie (wobec dotychczasowych pomiarów i wyliczeń) oraz fotografować Marsa z pewnej wysokości.

Jak często w tym kontekście się podkreśla, atmosfera marsjańska nie sprzyja konstrukcjom lotniczym - ma bardzo niską gęstość (blisko 99 proc. mniejszą od ziemskiej). To oznaczało już na etapie projektowania miniaturowego śmigłowca konieczność przyjęcia bardzo restrykcyjnych założeń konstrukcyjnych - minimalnej możliwej masy pojazdu, zapewnienia odpowiednio większych płaszczyzn nośnych, jak również znacznie przyspieszonych obrotów kolumny wirnika.

Pomysłowość przełamuje ograniczenia

Ingenuity to pojazd rzeczywiście bardzo lekki - jego masa to niecałe dwa kilogramy (1,8 kg), a zasilany jest dzięki panelom słonecznym. Odpowiednio mniejszą wagę zapewniają dronowi m.in. cztery wykonane z włókna węglowego łopaty (ułożone w dwa przeciwskrętne rotory). Co ważne, mogą one wykonywać ponad 2400 obrotów na minutę, co przy ich rozmiarach i stosunku gabarytów silnika jest znaczącym wynikiem.

Stworzeniem Ingenuity zajmowali się przez lata inżynierowe Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA (Jet Propulsion Lab w Pasadenie, Kalifornia), które zarządza również przebiegiem demonstracji tej technologii na Marsie. W projekcie brały udział też inne centra badawcze NASA - Ames i Langley, które dostarczyły obszernych analiz parametrów lotu i pomocy technicznej. Projekt angażował również firmy przemysłowe - m.in. AeroVironment Inc., Qualcomm, Snapdragon i SolAero, które zapewniły pomoc projektową i główne komponenty pojazdu. Przy tej okazji powstał także mechanizm transportowo-zrzutowy utrzymujący korpus miniśmigłowca pod łazikiem, tzw. Mars Helicopter Delivery System - został zaprojektowany i wyprodukowany przez wydział kosmiczny koncernu Lockheed Martin (Lockheed Space Systems z Denver).

Jak zdążyła już poinformować NASA (w piątek wieczorem, 19 lutego br.), dron przesłał pierwszy raport o swojej pełnej sprawności do centrum kontroli misji. Od tego momentu liczony jest czas do rozłożenia i pierwszego planowanego uruchomienia systemu, co ma nastąpić najwcześniej za około 30 dni (zależnie od postępu innych zadań). „W odbieranych danych przyglądamy się dwóm ważnym zakresom: jeden to stan naładowania akumulatorów Ingenuity, a drugi - potwierdzenie, że stacja bazowa działa zgodnie z zamysłem, regulując włączanie i wyłączanie nagrzewnic w celu utrzymania elektroniki wiropłatu w bezpiecznym stanie” - powiedział Tim Canham, kierownik operacji Ingenuity Mars w NASA Jet Propulsion Lab. „Wszystko wydaje się działać świetnie. Dzięki temu pozytywnemu raportowi będziemy kontynuować ładowanie akumulatorów drona” - stwierdził.

Wylądowaliśmy - i co dalej?

Kolejnym krokiem po wykonaniu niezbędnych procesów sprawdzających i przygotowawczych Ingenuity do działania, ma być krótki, inauguracyjny test niskiego pionowego wzlotu. Przedtem, dron zostanie opuszczony z wnęki w podwoziu łazika Perseverance, a następnie pozostawiony na rozłożonych wspornikach do czasu potwierdzenia działania paneli słonecznych i systemów samodzielnego ładowania. Na tym etapie bardzo ważne jest, by potwierdzić, że lekki pionowzlot będzie w stanie autonomicznie podtrzymywać zarządzanie energią oraz podgrzewanie kluczowych podzespołów, które są wrażliwe na niskie marsjańskie temperatury.

Gdy to już nastąpi, rozpoczną się pierwsze próby lotu. "Mają to być testy 90 sekundowe. To krótko, ale pierwszy lot braci Wright trwał 12 sekund" - skomentowała w kontekście lądowania misji Perseverance Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka z Centrum Badań Kosmicznych PAN. Zaznaczyła przy tym, że choć samo lotne rozwiązanie może wydawać się całkowitą nowością, to już w latach 90. XX posiadano konkretne wyliczenia wskazujące, że można latać w marsjańskiej skromnej atmosferze. Pewien problem stanowiło wówczas opracowanie odpowiednich technologii materiałowych, umożliwiających zbudowanie dostatecznie lekkiej i wytrzymałej konstrukcji.

Ingenuity ma być zatem pierwszym tego typu urządzeniem, które będzie miało szansę sprawdzić się na innej planecie. Erik Conway z Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA porównuje charakter i doniosłość tego sprawdzianu do pierwszej misji łazika marsjańskiego - pojazdu Sojourner w ramach misji Mars Pathfinder z 1997 roku. Sojourner był również demonstratorem technologicznym. "Przebył tylko około 100 metrów od lądownika, któremu towarzyszył - niemniej jednak otworzył drzwi dla kolejnych łazików, które pojawiły się od tamtego czasu i zrewolucjonizowały nasz sposób patrzenia na Marsa" - podkreślił.

Choć obserwatorzy z zapartym tchem i w niepewności oczekują pierwszego sprawdzianu Ingenuity, to jednak wyczerpujące testy na Ziemi, w komorach hipobarycznych i kriogenicznych zdążyły już wskazać, że miniwiropłat NASA powinien być zdolny do wykonywania swoich zadań na Marsie. To daje duże nadzieje na to, że NASA rzeczywiście potwierdzi za miesiąc bądź dwa nowe możliwości badania Czerwonej Planety. Spodziewany pozytywny wynik demonstracji działania Ingenuity i efekty jego misji będą faktycznie niezmiernie istotne dla testowania podobnych rozwiązań także na innych planetach czy księżycach. Nie jest przy tym przesądzone, że będą to wyłącznie konstrukcje wiropłatowe. Z nimi bowiem wiąże się nadal szereg pewnych ograniczeń, jak ilość ruchomych części i nagromadzenie szybko zużywających się podzespołów mechanicznych, podatnych na wpływ ekstremalnego otoczenia i w konsekwencji - na trudne do wykluczenia, rozmaite awarie. Stąd też pozytywne wyniki testów na Ziemi - jakkolwiek ważne - nie gwarantują, że jakiś pomniejszy czynnik nie doprowadzi jednak do porażki całego przedsięwzięcia. Innymi słowy, nadal jest wiele rzeczy, które mogą "pójść nie tak, jak należy".

Nie zmienia to jednak faktu, że konstrukcje lotne są postrzegane jako wielka nadzieja przyszłej eksploracji międzyplanetarnej - nie tylko ze względu na wspomnianą mobilność i mniejszą podatność na ograniczenia terenowe. Czasem są to po prostu warunki bardziej sprzyjające unoszeniu się w atmosferze.

Nie tylko Mars

W czerwcu 2019 roku NASA wybrała misję Dragonfly jako kolejne duże przedsięwzięcie w swoim programie eksploracji międzyplanetarnej New Frontiers. W ramach tego projektu planowane jest wysłanie latającego drona na Tytana, największy księżyc Saturna - posiadający gęstą azotowo-metanową atmosferę (o ciśnieniu 1,5 raza wyższym niż na Ziemi) i znacznie mniejszą grawitację (nieco poniżej 0,14 współczynnika ziemskiego). Statek ten również ma być wiropłatem i to zdecydowanie bardziej masywnym od Ingenuity (czterowirnikowiec o masie blisko 450 kg).

W odróżnieniu od eksperymentalnego narzędzia pomocniczego, jakim jest umieszczony na Marsie pionowzlot, Dragonfly ma być już samodzielnym pojazdem eksploracyjnym. Pod względem warunków aerodynamicznych panujących na Tytanie, będzie miał ku temu znacznie ułatwione zadanie w porównaniu do Ingenuity. Inaczej natomiast przedstawia się sytuacja, jeśli chodzi o pozostałe czynniki: podwyższone promieniowanie, obniżoną temperaturę i dostęp do energii słonecznej, a także tarcie atmosferyczne i nacisk mechaniczny mocniej zużywające kadłub oraz systemy wystawione na oddziaływanie otoczenia. Wyzwań jest zatem nadal wiele - NASA liczy jednak, że do momentu planowanego startu misji w 2027 roku uda się wszystkim zaradzić.

Na sam koniec warto również spojrzeć choćby na moment w stronę Wenus - planety, która ostatnio skupiła na sobie większą uwagę jako potencjalnie korzystny cel eksploracyjny (pomimo pewnego rozczarowania niepotwierdzonymi doniesieniami o odkryciu tam sygnatur organicznych). Choć problemem są tutaj bardzo nieprzyjazne warunki przy powierzchni "mrocznej bliźniaczki Ziemi" (nazywanej tak nieprzypadkowo, wobec podobnej grawitacji, rozmiarów, aktywności geologicznej, a przy tym niewielkiego dystansu dzielącego obie planety) - duże nadzieje są jednak wiązane z eksploracją wyższych partii atmosfery tej planety.

Założenia lotnych misji na Wenus szły dotąd bardziej w stronę konstrukcji balonowych (śladem udanych prób wypuszczania takowych przez Związek Radziecki w ramach misji Wega z lat 80. XX wieku). Jednym z niedawno rozważanych projektów twórczo rozwijających ten zamysł była koncepcja misji HAVOC (High Altitude Venus Operational Concept) z 2015 roku - proponująca wykorzystanie podobnych do sterowców platform badawczo-eksploracyjnych, unoszących się wysoko nad powierzchnią Wenus (na wysokości 50-60 km). To najbardziej dogodny przedział wysokości pod względem temperatury i ciśnienia atmosferycznego, które przyjmuje na tych pułapach wartości bliskie ziemskim. Jest też pole magnetyczne, które skutecznie odpiera silniejsze promieniowanie kosmiczne (zaleta, której nie ma Mars). Problemem natomiast w dalszym ciągu może być obecność chmur kwasu siarkowego (H2-SO4).

Choć HAVOC zwrócił uwagę na istotny obszar możliwej eksploracji międzyplanetarnej, sam w sobie jednak nie uzyskał od dłuższego czasu formalnej aprobaty (widnieje obecnie w oficjalnych rejestrach NASA jako projekt archiwalny). Wiele wskazuje więc na to, że eksploracja kosmiczna nie przybierze w możliwej do przewidzenia przyszłości choćby w namiastce formy "miasta w chmurach", jakie było uwieńczeniem fikcyjnej planety Bespin w sadze Gwiezdnych Wojen. Wydaje się jednak, że urzeczywistniana obecnie wizja dronów badających inne światy jest co najmniej równie fascynująca.