Лабораторія НАСА розробляє заводний всюдихід для вивчення Венери

Лаборатория НАСА разрабатывает заводной вездеход для изучения Венеры

Стародавня технологія надихнула на створення майбутнього всюдихода, здатного роками працювати при температурі до 500°C.

Лаборатория НАСА разрабатывает заводной вездеход для изучения Венеры

Самий довгий проміжок часу, який космічний апарат зміг протриматися на поверхні Венери – 127 хвилин. 1 березня 1982 року радянський зонд ” Венера-13 обережно спустився на парашуті і зміг пропрацювати трохи більше двох годин завдяки тому, що всі компоненти комп’ютера були заховані в герметичному титановому кожусі, попередньо охолодженому на орбіті. Температура на поверхні Венери в середньому становить 464 °C – це більше, ніж на поверхні Меркурія (найближчої до Сонця планети), і досить гаряче для того, щоб звичайна електроніка не змогла працювати.

Не тільки температура робить Венеру неприємним місцем для комп’ютерів – тиск на поверхні становить 90 атмосфер, що еквівалентно тиску на глибині 900 м в земному океані. І якщо вас заспокоїть те, що дощі сірчаної кислоти, що зароджуються у верхніх шарах атмосфери Венери, не досягають поверхні, то знайте, що там так темно (як у самий похмурий день на Землі), що видобуток сонячної енергії буде надзвичайно неефективною.

Лаборатория НАСА разрабатывает заводной вездеход для изучения Венеры
Фотографії поверхні від радянського зонда «Венера-13», що спустився на Венеру і працював там трохи більше двох годин

Задушлива атмосфера, що робить поверхню Венери такої неприємної, жахливо добре справляється з мінімізацією кількості даних про поверхні, які ми можемо зібрати, перебуваючи на орбіті – тому було б дуже здорово, якби там внизу виявився робот, який вистежує там все для нас. Велика частина ідей, пов’язаних з дослідженням поверхні Венери, знаходиться приблизно в тому ж ключі, що і радянські зонди: засунути електроніку всередину ізольованого контейнера, підключеного до неймовірно потужною системою кондиціонування повітря, і працюючого, ймовірно, від радіоактивного двигуна Стірлінга з плутонієм в якості палива. Дослідження і розробка такої системи будуть коштувати мільярди.

Традиційний підхід до вездеходу для Венери важкий, недешевий і небезпечний. Але команда інженерів з лабораторії реактивного руху НАСА [Jet Propulsion Laboratory, JPL], розташованої в р. Пасадена, шт. Каліфорнія, придумала інноваційну ідею для вивчення поверхні Венери. Якщо проблема в електроніці, чому б не позбутися від неї і не створити механічний всюдихід?

Отримавши фінансування за програмою НАСА «Передові інноваційні концепції» (NIAC), команда JPL хоче довідатися, чи можливо побудувати всюдихід для дослідження Венери без традиційних датчиків, комп’ютерів і джерел живлення. Всюдихід-автоматон для екстремальних умов [Автомат Rover for Extreme Environments, AREE] міг би використовувати часові шестерні, пружини та інші механізми для забезпечення більшої частини функціональності всюдихода, включаючи живлення, зберігання енергії, зондування, рух і комунікації – без всякої електроніки. Поддайте спеку.

Лаборатория НАСА разрабатывает заводной вездеход для изучения Венеры
Нутрощі індикатора розташування «Глобус», що використовувався на космічному кораблі «Восход»

У перевантаженому електронікою світі більшість з нас не розуміє, що можна здійснити за допомогою механічних комп’ютерів. Дві тисячі років назад, плюс-мінус століття, давні греки сконструювали Антикітерський механізм, здатний обчислювати положення Сонця і Місяця, показувати фази Місяця, передбачати затемнення, відстежувати календарні цикли, і, ймовірно, показувати положення п’яти планет, використовуючи набір з 30 точно вивірених бронзових шестерень, рухомих валом з рукояткою.

Між XVII і XIX століттями Блез Паскаль, Готфрід Лейбніц та Чарльз Беббидж розробляли механічні комп’ютери, здатні на різні арифметичні обчислення. Ближче до сучасності, в 1940-х, механічні комп’ютери активно використовувалися в таких жорстко практичних цілях, як управління артилерійським вогнем та скидання бомб.

Росіяни використовували механічний комп’ютер «Глобус» для підрахунку розташування їх космічного корабля до 2002 року, але в цілому зараз все робиться на електроніці. І добре б, але тільки не на Венері, де використання більшої частини електроніки буде непрактичним.

Концепція JPL щодо AREE – створити робота з мінімальним набором електроніки, і по більшій частині покладатися на механічні системи, без проблем здатні працювати з високими температурами тижнями, місяцями і навіть роками. Джонатан Саудер – технолог та інженер з мехатроніки в групі запровадження технологій в JPL, і глава проекту AREE. Ми поговорили з ним, щоб краще зрозуміти, як почався цей проект і як все буде працювати.

Як ви придумали ідею AREE?

Джонатан Саудер: ми сиділи з купою інженерів і працювали на зборах одночасної розробки. Під час одного з перерв на каву ми розмовляли про крутих механізми і компонентах, і як було б круто зробити повністю механічний космічний корабель, як би він виглядав, і де б його можна було використовувати. Ми зрозуміли, що осмислено щось подібне було б використовувати в двох місцях, де електроніка не виживе: одне – це Венера, оскільки саме довгий, скільки ми могли вижити на поверхні Венери, це дві години, а друге – Юпітер, з-за радіоактивного навколишнього середовища, порушує роботу електроніки.

Чи можливо побудувати роботизований всюдихід без електроніки?

У фазі I проекту NIAC ми запропонували нашу ідею побудувати повністю механічний всюдихід, взагалі не використовує електрику або електроніку, і замінити всі стандартні електронні підсистеми механічними обчислювачами. Почавши вивчати це питання, ми зрозуміли, що ми не можемо побудувати традиційний всюдихід типу Curiosity з централізованим процесором. Нам необхідно було сконцентруватися на розподіленій архітектурі, в якій в одному пристрої зібрано безліч простих механізмів, що керують їм, що сигналізують йому і повідомляють йому, куди йти.

Спочатку ми хотіли здійснити ряд наукових вимірювань за допомогою механіки. Ми почали розбиратися з цим питанням і зрозуміли, що у нас не виходить добувати дані з достатньою точністю для створення зображень або вимірювання таких параметрів, як температура і тиск. Існують різні варіанти високотемпературної електроніки – на основі карбіду кремнію і галію – працюють при високих температурах. Проблема в тому, що їх дуже складно інтегрувати. Виходило, що з їх допомогою можна організувати традиційну електричну систему, і не можна зробити нічого такого, що хоча б близько підходило до вимогам, необхідним для створення всюдихода. Тому ми вирішили створити мобільну платформу, здатну до переміщення, вивчення нових місць і здатну працювати набагато довше, ніж існуючі системи.

Лаборатория НАСА разрабатывает заводной вездеход для изучения Венеры
Ранній концепт AREE, з ногами

З чого почалася розробка AREE?

Основна мета – створити мобільну архітектуру найвищої можливої надійності. А вже друга мета – використовувати якомога більше простих, розподілених, що реагують на зовнішні впливи механізмів, здатних спрямовувати всюдихід по поверхні Венери. Зауважте, що на ранніх зображеннях всюдихід сильно нагадував Strandbeest — «ходячих тварин» Тео Янсена, кінетичні скульптури, расхаживавшие по пляжам Нідерландів. Strandbeest працює з парою простих датчиків, керуючих рухом ніг вперед або назад, і вбудованою логікою, допомагає уникати м’якого піску і води.

На ранніх етапах вироблення концепції ми працювали безпосередньо з Янсеном: він приїхав в JPL на дводенну спільну роботу, і ми отримали від нього досвід, накопичений за 30 років роботи з Strandbeest. Одним з перших його рад була відмова від ніг. І, знаєте, коли людина, що створила Strandbeest, говорить вам, що вездеходу на Венері ноги не потрібні, це означає, що вам і правда потрібно придумати щось інше. Ключова проблема в тому, що ноги, відмінно працюють на плоских м’яких пляжах, виявляються нестабільними, коли ви переносите їх на більш різноманітну поверхню, наприклад, на невідоме венерианское оточення, що підвищує ймовірність перевороту і пошкодження всюдихода.

В результаті наша архітектура перейшла з фази і у II фазу, від круто виглядає всюдихода з ногами до менш крутий, але більш надійною і практичною версії всюдихода, виглядає як танк часів Першої Світової війни.

Лаборатория НАСА разрабатывает заводной вездеход для изучения Венеры
Концепція фази II, з гусеницями і вбудованою вітрової турбіною. При можливий переворот всюдихід все одно зможе рухатися.

Чи Можете ви описати, як AREE зможе рухатися по поверхні Венери?

Ми розробляємо спеціалізовані системи для обходу перешкод і визначення наявності необхідного для руху кількості енергії, замість звичайної централізованої системи, що дозволяє вездеходу виконувати декілька процесів або перенастроювати всюдихід ЗА допомогою.

Ми намагаємося максимально спростити ці механізми, щоб кожен виконував свою конкретну задачу, але виконував її добре. Можливо, зіткнення позашляховика з об’єктом перекине важіль, що змусить його від’їхати трохи назад, повернутися на 90º, і знову поїхати вперед. Система обходу перешкод у нас може бути тільки одна, але подібну дію можна повторювати безліч разів, і в результаті з його допомогою можна обійти перешкоду.

Лаборатория НАСА разрабатывает заводной вездеход для изучения Венеры

Система уникнення перешкод використовує бампер, шестерні з перемиканнями і ексцентрик. Вона здатна відводити всюдихід після удару назад, а потім заново включати бампер і перемикати передачі, і продовжувати рух вперед. Під час нормального руху вперед зусилля передається з вхідного вала через шестерні в правій частині діаграми на вихідний вал. Залишилися шестерні будуть обертатися вільно. При зустрічі з перешкодою синхронізатор включає задню передачу, що призводить до зворотного ефекту. Після повного повороту ексцентрика він пересуне бампер назад в переднє положення. Такий же ексцентрик можна використовувати для повороту коліс всюдихода при задньому ході двигуна.

Які можливості AREE унікальні порівняно з іншими проектами венеріанських всюдиходів?

На сьогодні існує кілька концепцій венеріанських місій, кожна з яких обійдеться в суму, порівнянну з Mars Curiosity, і пропонує посадку в одному місці або двох місцях. Велика частина пропозицій дуже складна і розрахована на роботу від 2 до 24 годин на поверхні. Ми плануємо працювати протягом місяця, і саме тут працює наша ключова інновація – прозондувати можливість безліч місць на поверхні Венери і зрозуміти, як вона змінюється з часом.

Можете описати, як буде виглядати ідеальний AREE, відповідний вашим очікуванням?

Ідеальний робот зможе працювати на складних поверхнях Венери, званих тессерами, що представляють собою грубу, кам’янисту лаву, зверху схожу на паркет або черепицю. Наша мета – провести всюдихід по такій поверхні, взяти геологічні зразки, які сприятимуть нашому розумінню еволюції Венери. Ідеальний всюдихід повинен бути розміром трохи більше 1,5 м – зараз це обмеження накладається тепловим щитом. Якби ми могли, ми б збільшили його до 2,5 м, щоб він міг долати великі перешкоди і отримувати більше енергії від вітру.

У підсумку потрібно зробити всюдихід, здатний долати більшу частину перешкод, який би повз і повз вперед, повільно, але вірно, збирав зразки і дані про погоду.

Лаборатория НАСА разрабатывает заводной вездеход для изучения Венеры
Концепція подорожі по рівнинах у бік тессер. Під час основної частини місії, що триває 116 земних днів (один венеріанський добовий цикл) всюдихід пройде 35 км. Розширена місія дозволить йому пройти відстань до 100 км протягом трьох років.

До цього моменту ви вже можете почати дивуватися – навіщо ж ми будемо посилати заводний всюдихід на вивчення поверхні Венери, якщо ми не зможемо отримати від нього весточек – адже без електроніки, як він зможе відправити нам якісь дані? Існують способи механічного зберігання даних – досить легко тимчасово зберігати числа, а приблизно 1 мегабіт даних можна занести на металевий фонограф. Ну а що далі?

Одна з ідей, не така божевільна, як здається на перший погляд – використовувати водневі кулі для підняття металевих записів у верхні шари атмосфери Венери, де їх буде перехоплювати висотний безпілотник, що працює від сонячної енергії, читати їх і передавати їх вміст на супутник, що знаходиться на орбіті. Дослідники також розглядають варіант радіо на електронних лампах, але хоча ці лампи і здатні працювати при високих температурах, вони будуть вразливими у венеріанської атмосфери, і їм буде загрожувати втрата герметичності.

Але розробники AREE придумали іншу ідею: радарні відбивачі. Радарний відбивач, закріплений на всюдиході, можна буде побачити з орбіти, і розмістивши перед відбивачем затвор, можна буде передавати близько 1000 біт інформації при кожному проході супутника. Додавши кілька відбивачів з різною відбивною здатністю, а також затвори, що працюють на різних частотах, можна передавати до 32 унікальних змінних в день. Крім того, в деяких випадках навіть не передавати певні цифри – наприклад, розмістивши вентилятор перед відбивачем, можна буде вимірювати швидкість вітру в різних місцях поверхні.

Тепер, створивши такий унікальний по можливостях і надійності всюдихід, здатний виживати на Венері, потрібно зрозуміти, якого роду наукові вишукування він зможе виконувати – і це особливо складне питання для AREE, як пояснюється в реченні фази I конкурсу NIAC:

Одне з головних слабких місць чисто механічної системи – можливості для наукових досліджень. Крім комунікацій, ключовою областю, де знадобилася б високотемпературна електроніка, служать наукові інструменти. Більш складні вимірювання, особливо геологічні, вимагають електронних рішень.

В кінці минулого року НАСА анонсувала програму HOTTech, програму працюють при високій температурі технологій, що фінансує «передові розробки технологій для автоматизованого дослідження високотемпературного оточення, в якому температури наближаються до 500 градусів Цельсія, або перевершують цю позначку». AREE сподівається, що в результаті HOTTech з’являться наукові інструменти, здатні вижити на їх всюдиході – але і для іншого виходу у них є кілька цікавих ідей займатися наукою без всякої електроніки. Наприклад, вимірювання швидкості вітру за допомогою турбіни, температури і тиску за допомогою розширюються від температури матеріалів, а хімічних властивостей – за допомогою стрижнів, які реагують на певні хімічні сполуки.

Лаборатория НАСА разрабатывает заводной вездеход для изучения Венеры
Енергія вітру зберігається в композитної пружині. Механічна система на схемі здатна вимірювати зберігається в пружині енергію, і використовує зчеплення для передачі енергії в систему руху, коли її накопичується достатньо. Якщо ви хочете, щоб всюдихід рухався по закінченні певного часу, або після досягнення інших умов, можна додати механічні логічні вентилі, реагують на годинник або інші датчики.

Саудер з командою не намагаються створювати всю цю механіку просто для розваги. Дослідити Венеру на проміжку більшому, ніж день-два – дійсно важливе завдання. «Наша мета – не відтворити те, що вже було зроблено, чи скоро стане можливим в галузі високотемпературної електроніки, – каже Саудер, – але створити набір механічних рішень для тих областей, в яких поки ще не існує чітких рішень».

Що розробляється в рамках проекту AREE технологія може стати в нагоді і в інших місцях Сонячної системи – і не тільки в таких місцях з високим рівнем радіації, як Європа, одна з місяців Юпітера. Тут, на Землі AREE може стати в нагоді для збору зразків близько до активного вулкану або в областях з високим рівнем радіації. Ще одна перевага AREE – його можна повністю стерилізувати при високій температурі, абсолютно не пошкодивши функціональність. Припустимо, якщо під полярною шапкою Марса знайдеться озеро з якоюсь незвичайною формою життя, можна буде відправити туди на збір зразків стерильний AREE, і не турбуватися про забруднення.

Зараз AREE отримав фінансування другої фази NIAC. Команда працює над більш детальною розробкою системи руху, яка, швидше за все, призведе до заміни гусениць на якісь колеса, що більш надійно. Також вони розробляють механічні годинники, здатні працювати при високих температурах – одна з основних частин автономного механічного комп’ютера. Саудер каже, що вони очікують цікавих результатів від побудови та перевірки радарної системи передачі сигналів протягом року. Нам теж це дуже цікаво – це один з найбільш інноваційних роботів, що ми бачили, і нам не терпиться побачити, як він потрапить на Венеру.

В команду AREE, керовану Саудером, також входять Еван Хильгеман, Майкл Джонсон, Аарон Парнес, Берні Бьенсток і Джеффрі Хол [Evan Hilgemann, Michael Johnson, Aaron Parness, Bernie Bienstock, Jeffery Hall]. Джессі Кавата і Кетрін Стек [Jessie Kawata, Kathryn Stack] – додаткові автори остаточного звіту для фази I.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *