Аэробот — это воздушный робот , обычно используемый в контексте беспилотного космического зонда или беспилотного летательного аппарата .
Хотя с 1960-х годов велись работы над роботами- вездеходами для исследования Луны и других миров Солнечной системы , у таких машин есть ограничения. Они, как правило, дороги и имеют ограниченный радиус действия, а из-за задержки связи на межпланетных расстояниях им приходится быть достаточно умными, чтобы ориентироваться, не отключая себя.
Однако для планет с атмосферой из любого вещества есть альтернатива: автономный летающий робот, или «аэробот». [1] [2] Большинство концепций аэроботов основаны на аэростатах , в основном на воздушных шарах , но иногда и на дирижаблях . Пролетая над препятствиями на ветру, воздушный шар мог бы детально исследовать большие регионы планеты при относительно небольших затратах. Также предлагались самолеты для исследования планет.
Хотя идея отправки воздушного шара на другую планету на первый взгляд кажется странной, воздушные шары имеют ряд преимуществ для исследования планет. Их можно сделать легкими по весу и потенциально относительно недорогими. Они могут покрывать большую территорию, а обзор с высоты дает им возможность исследовать широкие участки местности с гораздо большей детализацией, чем это было бы доступно с орбитального спутника . Для исследовательских миссий относительное отсутствие контроля направления не является серьезным препятствием, поскольку обычно нет необходимости направлять их в определенное место.
Проекты воздушных шаров для возможных планетарных миссий включали в себя несколько необычных концепций. Одним из них является солнечный, или инфракрасный (ИК) Монгольфьер . Это воздушный шар, оболочка которого сделана из материала, улавливающего тепло солнечного света или тепла, излучаемого поверхностью планеты. Черный — лучший цвет для поглощения тепла, но здесь действуют и другие факторы, и материал не обязательно должен быть черным.
Солнечные монгольфьеры имеют несколько преимуществ для исследования планет, поскольку их легче развернуть, чем воздушный шар с легким газом, они не обязательно требуют резервуара с легким газом для надувания и относительно не допускают небольших утечек. У них есть тот недостаток, что они находятся в воздухе только в дневное время.
Другой представляет собой «обратимый жидкостный» баллон. Этот тип баллона состоит из оболочки, соединенной с резервуаром, в котором находится жидкость, которая легко испаряется . Баллон можно поднять за счет испарения жидкости в газ, а можно заставить опуститься за счет конденсации газа обратно в жидкость. Существует множество различных способов реализации этой схемы, но физический принцип во всех случаях один и тот же.
Воздушный шар, предназначенный для исследования планет, будет нести небольшую гондолу с полезной нагрузкой. Гондола также будет нести подсистемы электропитания, управления и связи. Из-за ограничений по весу и источнику питания подсистема связи, как правило, будет небольшой и маломощной, а межпланетная связь будет осуществляться через орбитальный планетарный зонд, действующий как ретранслятор.
Солнечный Монгольфьер будет тонуть ночью, и к нижней части гондолы будет прикреплен направляющий трос, который будет сворачиваться на земле и фиксировать воздушный шар в темное время суток. Направляющий трос будет изготовлен из материалов с низким коэффициентом трения, чтобы он не цеплялся и не запутывался в элементах грунта.
В качестве альтернативы, воздушный шар может нести более толстую «змею» с инструментами вместо гондолы и направляющего каната, сочетая в себе функции обоих. Это удобная схема для проведения прямых измерений поверхности.
Воздушный шар также можно закрепить на якоре, чтобы он оставался в одном месте и проводил наблюдения за атмосферой. Такой статический воздушный шар известен как « аэростат ».
Одним из наиболее сложных аспектов эксплуатации планетарных аэростатов является ввод их в эксплуатацию. Обычно воздушный шар входит в атмосферу планеты в «аэрооболочке» — тепловом экране в форме сплюснутого конуса. После входа в атмосферу парашют извлекает блок аэростата из аэрооболочки, которая падает. Затем баллон в сборе разворачивается и надувается.
После ввода в эксплуатацию аэробот будет в основном автономен и должен будет выполнять свою миссию автономно, принимая только общие команды по своей длинной связи с Землей. Аэроботу придется перемещаться в трех измерениях, собирать и хранить научные данные, управлять полетом, изменяя высоту, и, возможно, совершать посадки в определенных местах для проведения детальных исследований.
Первый и пока единственный полет планетарного шара-зонда был выполнен Институтом космических исследований АН СССР в сотрудничестве с французским космическим агентством CNES в 1985 году. На каждом из них находился небольшой воздушный шар, внешне похожий на наземные метеозонды . из двух советских зондов «Вега-Венера» , запущенных в 1984 году.
Первый воздушный шар был введен в атмосферу Венеры 11 июня 1985 года, а второй - 15 июня 1985 года. Первый воздушный шар вышел из строя всего через 56 минут, но второй проработал чуть меньше двух земных дней, пока его батареи не разрядились. .
Воздушные шары Венера Вега были идеей Жака Бламона , главного научного сотрудника CNES и отца исследования планетарных воздушных шаров. Он энергично продвигал эту концепцию и заручился международной поддержкой небольшого проекта.
Научные результаты зондов Венера ВЕГА были скромными. Что еще более важно, умный и простой эксперимент продемонстрировал обоснованность использования воздушных шаров для исследования планет.
После успеха воздушных шаров «Венера-ВЕГА» Бламонт сосредоточился на более амбициозной миссии на Марс на воздушном шаре, которая будет осуществляться на советском космическом зонде.
Атмосферное давление на Марсе примерно в 150 раз меньше, чем на Земле. В такой разреженной атмосфере воздушный шар объемом от 5 000 до 10 000 кубических метров (от 180 000 до 350 000 кубических футов) может нести полезную нагрузку в 20 килограммов (44 фунта), а воздушный шар объемом 100 000 кубических метров (3 500 000 кубических футов) ) мог нести 200 килограммов (440 фунтов).
Французы уже провели обширные эксперименты с солнечными Монгольфьерами, выполнив более 30 полетов с конца 1970-х по начало 1990-х годов. «Монгольфьер» летел на высоте 35 километров, где атмосфера была такой же тонкой и холодной, как на Марсе, и один из них провел в воздухе 69 дней, дважды обогнув Землю.
Ранние концепции марсианского воздушного шара представляли собой систему «двойного воздушного шара», в которой герметичный воздушный шар, наполненный водородом или гелием, был привязан к солнечному Монгольфьеру. Светогазовый баллон был спроектирован так, чтобы «Монгольфьер» не отрывался от земли в ночное время. В течение дня Солнце нагревало Монгольфьер, заставляя воздушный шар подниматься.
В конце концов группа остановилась на цилиндрическом герметичном гелиевом шаре, изготовленном из алюминизированной ПЭТ-пленки , объемом 5500 кубических метров (190 000 кубических футов). Воздушный шар поднимался при нагревании в течение дня и опускался при охлаждении ночью.
Общая масса баллона в сборе составляла 65 кг (143 фунта), гондолы - 15 кг (33 фунта) и инструментального направляющего каната - 13,5 кг (30 фунтов). Ожидалось, что воздушный шар проработает десять дней. К сожалению, несмотря на то, что над воздушным шаром и его подсистемами была проведена значительная работа по разработке, финансовые трудности в России вынудили отложить запуск марсианского зонда в 1992 году, затем в 1994, а затем в 1996 году. Марсианский воздушный шар был исключен из проекта из-за стоимости.
К этому времени Лаборатория реактивного движения (ЛРД) Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (НАСА) заинтересовалась идеей планетарных аэроботов, и фактически команда под руководством Джима Каттса из Лаборатории реактивного движения работала над концепциями планетарных аэроботов. в течение нескольких лет, а также проводит эксперименты по проверке технологии аэроботов.
Первые такие эксперименты были сосредоточены на серии обратимых аэростатов под названием ALICE, что означает «Эксперимент по контролю высоты». Первый такой воздушный шар, ALICE 1, совершил полет в 1993 году, а другие полеты через ALICE 8 состоялись в 1997 году.
Связанная с этим работа включала определение характеристик материалов для оболочки воздушного шара Венеры и два полета на воздушном шаре в 1996 году для испытания полезной нагрузки приборов под названием BARBE, что означает «Оборудование радиационного бюджета с использованием воздушного шара».
К 1996 году Лаборатория реактивного движения работала над полноценным экспериментом с аэроботами под названием PAT, что означает «Испытательный стенд планетарных аэроботов», который должен был продемонстрировать полноценный планетарный аэробот посредством полетов в атмосферу Земли. Концепции PAT предусматривали реверсивный воздушный шар с полезной нагрузкой 10 кг, который будет включать системы навигации и камеры и в конечном итоге будет работать под автономным управлением. Проект оказался слишком амбициозным и был отменен в 1997 году. Лаборатория реактивного движения продолжила работу над более целенаправленными и недорогими экспериментами, которые привели к созданию марсианского аэробота под названием MABVAP для «Программы проверки марсианских аэроботов». Эксперименты MABVAP включали сбрасывание аэростатных систем с воздушных шаров и вертолетов для проверки сложного этапа развертывания миссии планетарных аэроботов, а также разработку оболочек для аэростатов сверхдавления с материалами и конструкциями, подходящими для длительной миссии на Марс.
JPL также предоставила набор атмосферных и навигационных датчиков для кругосветных пилотируемых полетов на воздушном шаре Solo Spirit как для поддержки миссий на воздушном шаре, так и для проверки технологий для планетарных аэроботов.
Пока продолжались эти испытания и эксперименты, Лаборатория реактивного движения выполнила ряд спекулятивных исследований для миссий планетарных аэроботов на Марс , Венеру , спутник Сатурна Титан и внешние планеты .
Технологические эксперименты JPL MABVAP должны были привести к реальной миссии аэроботов на Марс под названием MABTEX, что означает «Технологический эксперимент марсианских аэроботов». Как следует из названия, MABTEX в первую очередь задумывался как эксперимент в области операционных технологий и как предшественник более амбициозных усилий. МАБТЕКС задумывался как небольшой воздушный шар сверхдавления , доставленный на Марс на «микрозонде» весом не более 40 килограммов (88 фунтов). После установки рабочий воздушный шар будет иметь общую массу не более 10 кг (22 фунта) и будет оставаться в рабочем состоянии в течение недели. Маленькая гондола будет иметь навигационную и управляющую электронику, а также систему стереоизображения , а также спектрометр и магнитометр .
Планы предусматривали продолжение MABTEX в виде гораздо более сложного аэробота под названием MGA, что означает «Mars Geoscience Aerobot». Концепции дизайна MGA предусматривали систему баллонов сверхдавления, очень похожую на систему MABTEX, но гораздо большего размера. MGA будет нести полезную нагрузку в десять раз большую, чем у MABTEX, и останется в воздухе до трех месяцев, облетев Марс более 25 раз и преодолев более 500 000 километров (310 000 миль). Полезная нагрузка будет включать в себя сложное оборудование, такое как стереоскопический формирователь сверхвысокого разрешения, а также возможности наклонной визуализации; радиолокационный эхолот для поиска подземных вод ; система инфракрасной спектроскопии для поиска важных минералов; магнитометр; и метеорологические и атмосферные инструменты. За MABTEX, в свою очередь, может последовать небольшой дирижабль на солнечной энергии под названием MASEPA, что означает «Марсианский аэробот с солнечным электрическим двигателем».
Лаборатория реактивного движения также проводила аналогичные исследования на аэроботах Венеры. Технологический эксперимент Venus Aerobot (VEBTEX) рассматривался как эксперимент по проверке технологии, но, похоже, основное внимание уделялось полноценным эксплуатационным миссиям. Одна из концепций миссии, Venus Aerobot Multisonde (VAMS), предусматривает работу аэробота на высоте более 50 километров (31 миль), который будет сбрасывать поверхностные зонды или «зонды» на определенные надводные цели. Затем воздушный шар будет передавать информацию от зондов непосредственно на Землю, а также собирать данные о магнитном поле планеты и другую информацию. VAMS не потребует никаких принципиально новых технологий и может подойти для недорогой планетарной миссии NASA Discovery .
Значительная работа была проделана над более амбициозной концепцией — Venus Geoscience Aerobot (VGA). Проекты VGA предусматривают относительно большой обратимый аэростат с жидкостью, наполненный гелием и водой, который мог бы спускаться на поверхность Венеры для отбора проб на поверхности, а затем снова подниматься на большую высоту и остывать.
Разработка аэробота, способного выдерживать высокие давления и температуры (до 480 градусов по Цельсию или почти 900 градусов по Фаренгейту) на поверхности Венеры, а также проходить сквозь облака серной кислоты, потребует новых технологий. Ожидалось, что по состоянию на 2002 год VGA будет готов только в конце следующего десятилетия. Прототип оболочки воздушного шара был изготовлен из полибензоксазола , полимера, который обладает высокой прочностью, устойчивостью к нагреву и низкой утечкой легких газов. Наносится золотое покрытие, позволяющее полимерной пленке противостоять коррозии от кислотных облаков.
Также велись работы над гондолой VGA весом около 30 кг (66 фунтов). В этой конструкции большинство инструментов помещены в сферический сосуд под давлением с внешней оболочкой из титана и внутренней оболочкой из нержавеющей стали . Судно содержит твердотельную камеру и другие приборы, а также системы связи и управления полетом. Судно спроектировано так, чтобы выдерживать давление до ста атмосфер и поддерживать внутреннюю температуру ниже 30 °C (86 °F) даже на поверхности Венеры. Судно установлено в нижней части шестиугольной «корзины» солнечных панелей, которые, в свою очередь, обеспечивают привязное соединение с системой баллонов наверху, и окружено кольцом труб, действующих как теплообменник. На ободе корзины установлена антенна связи S-диапазона, а за пределы судна на мачте выдвигается антенна радара для исследования поверхности .
Атмосферная маневренная платформа Венеры ( VAMP) — это концепция миссии аэрокосмических компаний Northrop Grumman и LGarde для мощного, долговечного, полуплавучего надувного самолета, который также будет исследовать верхние слои атмосферы Венеры в поисках биосигнатур [3] [4] как выполнять атмосферные измерения. [5]
В апреле 2021 года сообщалось, что НАСА выделило работы по проектированию и испытаниям роботов-зондов для будущего исследования Венеры . [6]
Титан , самый крупный спутник Сатурна , является привлекательной целью для исследования аэроботов, поскольку его азотная атмосфера в пять раз плотнее земной и содержит смог органических фотохимических веществ, скрывающий поверхность Луны от глаз визуальных датчиков. Аэробот сможет проникнуть в эту дымку, чтобы изучить загадочную поверхность Луны и найти сложные органические молекулы. НАСА разработало ряд различных концепций миссий аэроботов для Титана под общим названием Titan Biologic Explorer.
Одна концепция, известная как многоместная миссия Titan Aerobot, включает в себя обратимый воздушный шар, наполненный аргоном, который может спускаться с большой высоты на поверхность Луны, выполнять измерения, а затем снова подниматься на большую высоту, чтобы выполнять измерения и перемещаться на поверхность Луны. другой сайт. Другая концепция, миссия Titan Aerobot Singlesite, будет использовать воздушный шар сверхдавления, который выберет одно место, выпустит большую часть его газа, а затем подробно обследует это место.
Гениальная вариация этой схемы — Titan Aerover — сочетает в себе аэробота и марсоход. Это транспортное средство имеет треугольную раму, соединяющую три воздушных шара, каждый около двух метров (6,6 футов) в диаметре. После входа в атмосферу Титана аэровертер будет плавать, пока не найдет интересное место, а затем выпускать гелий и спускаться на поверхность. Три воздушных шара затем будут служить поплавками или колесами по мере необходимости. Лаборатория реактивного движения построила простой прототип, похожий на три пляжных мяча на трубчатой раме.
Независимо от того, какую форму примет миссия Titan Biologic Explorer, системе, скорее всего, потребуется модуль радиоизотопного термоэлектрического генератора на атомной энергии. Солнечная энергия была бы невозможна на расстоянии Сатурна и в смоге Титана, а батареи не обеспечили бы достаточную продолжительность миссии. Аэробот также будет нести миниатюрную химическую лабораторию для поиска сложных органических химикатов.
Помимо Лаборатории реактивного движения, другие исследования концепций аэроботов «Титан» включали исследования дирижаблей Массачусетским технологическим институтом [7] и НАСА «Гленн» [8] , а также предлагаемый самолет «Титан», предложенный НАСА Эймс. [9]
Наконец, аэроботы могут быть использованы для исследования атмосферы Юпитера и, возможно, других газообразных внешних планет . Поскольку атмосферы этих планет в основном состоят из водорода и поскольку не существует газа легче водорода, таким аэроботом должен быть Монгольфьер . Поскольку солнечный свет на таких расстояниях слаб, аэробот будет получать большую часть своего тепла за счет инфракрасной энергии, излучаемой планетой внизу. [10]
Аэробот Юпитера может работать на высотах, где давление воздуха колеблется от одной до десяти атмосфер, иногда опускаясь ниже для детальных исследований. Он будет проводить измерения атмосферы, а также передавать изображения и данные дистанционного зондирования погодных явлений, таких как Большое красное пятно Юпитера . Аэробот Юпитера также может сбрасывать зонды глубоко в атмосферу и передавать полученные данные обратно на орбитальный аппарат, пока зонды не разрушатся под действием температуры и давления.
Концепции крылатых самолетов были предложены для роботизированных исследований в атмосфере Марса, [2] [11] Венеры, [12] [13] Титана, [9] и даже Юпитера. [14]
К основным техническим проблемам полета на Марс относятся: [11]
Концепт самолета ARES [15] был выбран для детального проектирования в качестве одного из четырех финалистов программы Mars Scout Program 2007 года , но в конечном итоге не был выбран в пользу миссии Phoenix . В ходе проектной проработки как полумасштабные, так и полномасштабные самолеты были испытаны в условиях атмосферы Марса. [15] (См. также Самолет на Марс .)
В 2002 году был опубликован документ, в котором предлагались автономные роботизированные вертолеты для исследования Марса, возможные для программы Mars Scout . [16] Был отмечен ряд преимуществ жизнеспособной конструкции винтокрылого аппарата, в том числе способность преодолевать сложные рельефы Марса, но при этом посещать несколько объектов на месте . [16] Короткий прыжок, сделанный Lunar Surveyor 6 в 1967 году, был отмечен как пример прыжка для посещения другого места. [16]
Ingenuity , частьмиссии НАСА «Марс 2020» , представляет собой несуществующий роботизированный вертолет, продемонстрировавший первый полет винтокрылого аппарата в атмосфере Марса. [17] Самолет был запущен с марсохода Perseverance и первоначально совершил пять полетов в течение 30-дневной испытательной кампании в начале миссии. [18] Каждый полет занимал не более 110 секунд на высоте от 3 до 10 метров (от 10 до 33 футов) над землей и покрывал максимальное расстояние до 266 м (873 футов) за полет. [17] Он использовал автономное управление и связывался с Perseverance непосредственно после каждого приземления. Он совершил первый полет на другой планете. [19] До выхода на пенсию Ingenuity проработал на Марсе 1042 сола ( всего 1071; 1 год, 341 день ), когда все четыре лопасти его ротора, вероятно, были повреждены, что заставило НАСА вывести корабль из эксплуатации. [20] [21]
Миссия НАСА «Стрекоза» , запланированная на 2027 год, будет включать винтокрылый аппарат, который будет исследовать Титан.
В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .